浅析直接探测多普勒测风激光雷达总体结构及其各部分的功能

0 引 言

　　激光雷达用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统 、接收系统 、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。

目前的风场数据主要来源于无线电探空测风仪、地面站、海洋浮标、观测船、飞行器以及卫星，它们在覆盖范围和观测频率上都存在很大限制。对全球进行直接三维风场测量已经提到日程上来，世界气象组织提出了全球范围的高分辨率大气风场数据的迫切需要，迄今为止，多普勒测风激光雷达是唯一能够获得直接三维风场廓线的工具，具有提供全球所需数据的发展潜力[1]。

　　激光雷达是探测大气的有力工具，随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测、数据采集以及控制技术的发展，激光雷达技术的发展也日新月异。多普勒测风激光雷达具有实用性、高分辨率和三维观测等优点，是其它探测手段难以比拟的[2, 3, 4]。

　　新研制的1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达，利用双边缘技术对对流层三维风场进行探测[5]。本文介绍了该激光雷达的总体结构及其各部分的功能，并对其探测对流层风场的初步结果进行了分析和讨论。

1 总体结构和技术参数

　　1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达从整体上由激光发射单元、二维扫描单元，回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分组成，其结构示意图和外观照片分别见图1和图2，主要的技术参数见表1。

　　激光发射单元、回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元放置在光学平台上，保证其光学稳定性。Nd:YAG激光器的中心波长是1064 nm，工作在此波长，可以有较大的激光输出功率，并且气溶胶的后向散射截面比较大。脉冲重复频率为50 Hz，可以节省探测的时间，能捕捉短时间内风速的变化，有利于提高风速探测的准确度。

　　二维扫描单元安置在实验房的房顶，接收望远镜的上方。由两个镀有1064 nm波长全反的介质膜的平面反射镜、水平旋转机构和垂直旋转机构组成的大口径光学潜望式结构。通过软件控制或者手动调节能够全方位扫描，水平方向可以旋转 0o至360o，垂直方向可以旋转0o至180o。

　　接收望远镜在二维扫描单元的正下方，有效通光口径为300 mm，如图1所示。20％的反射信号作为能量探测，由直角反射棱镜分成两束，分别由光子计数探测器接收；80％的透射信号作为信号探测，经过双Fabry-Perot标准具的两个通道后，由于透过率的不一样，得到强度不等的两束光信号，由直角反射棱镜分为两束，由相应的光子计数探测器接收。

　　控制柜内安装有工控机，其内安装的1064nm直接探测多普勒测风激光雷达的系统运行控制软件通过RS232串口控制激光器、二位扫描单元和双Fabry-Perot标准具工作，起着系统的整体协调作用。控制柜内还有双Fabry-Perot标准具的控制器 CS100、二位扫描单元的控制器、门控装置以及同轴系统对光时使用的监视器和各部件的电源。

2 双Fabry-Perot标准具的透过率响应曲线的测量

　　1064nm直接探测多普勒测风激光雷达的关键技术之一就是采用高分辨率的双Fabry-Perot标准具，它在一对基板上通过镀膜或沉积方式形成两个面积和大小相同的半圆形干涉仪，根据镀膜的厚度可以形成标准具的两个通道频谱中心分离，形成透过率响应曲线的交叠。由于它们固定在一个基板上，双 Fabry-Pero标准具的两个通道的中心频率的相对位置受温度的漂移变化相同，保证标准具的频谱中心间隔大小恒定。

　　双Fabry-Perot标准具的透过率曲线的测量是通过系统运行控制软件的CS100控制子程序对其腔长大小的控制，从而得到频率与透过率的对应曲线。图3是2005年4月27日19:04，500个脉冲累加平均测量得到的双Fabry-Perot标准具的透过率曲线，通道一（实圆点）与通道二（虚圆点）的频谱中心间隔为228.2 MHz，半宽度分别为 205.0 MHz和224.3 MHz，实曲线与虚曲线分别为两通道的相应拟合曲线，其峰值透过率分别为73.7% 和70.8%，测量结果与表1对应的技术参数基本一致。

由于环境因素引起光学单元和电子器件的漂移，而且操作人员的活动可能引起接收机部件的振动而造成双Fabry