直接探测多普勒测风激光雷达

引 言
风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量，利用风的数据，可以获得大气的变化，并预见其改变，促进人类对能量、水、气溶胶、化学和其它空气物质圈的了解，提高气象分析和预测全球气候变化的能力。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。同时，激光器内部注入种子激光可以保证激光器的频率稳定。
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。进行常规探测时采用四波束法，水平方位依次按照0o、90o、180o和270o四个方位探测，即东、南、西和北四个方位，工作仰角为45o。
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。主镜镀有1064 nm波长全反的介质膜，反射率高达99%。望远镜接收的大气后向散射回波信号耦合至光纤，由光纤导入到准直镜后成为平行光，经过压制背景光的窄带滤光片后，由20％反射、80％透射的分束片分成两部分。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。四个光子计数探测器分别将光信号转换为电信号后，输入光子计数卡内，最后由工控机中的主程序对采集的数据进行储存和处理，并实时显示测量的信号强度廓线、风速和风向。
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-Perot标准具的腔长漂移，以及激光器长时间工作引起频率的漂移，都对标准具透过率曲线的测量产生影响。为了检验双Fabry-Perot标准具的性能，从2005年4月24日至2005年5月 15日内，进行了8次测量，透过率响应曲线如图4，实曲线和虚曲线分别对应通道一和通道二的透过率响应曲线。从图中可以看出，虽然时间相距21天，但是8 组透过率响应曲线的重合度很好，说明系统的稳定性很好。

3 对流层风场的初步结果
图5给出了1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达2005年4月20日17:18在合肥地区测量到的0.48 km至3 km的风廓线。图中虚圆点和实圆点线分别是二维扫描单元指向东和西测量得到的风廓线，由于当天是东风，向东方向测量得到的多普勒频移为正值，对应的风速亦为正值；向西方向测量得到的多普勒频移为负值，对应的风速则为负值，且二者在不同高度上的风速体现了较好的一致性，这表明大气风场在测风激光雷达探测时间内不同高度上的风向和风速都没有什么大的变化。
图6给出了1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达2005年9月10日晚上在同一地点探测得到的径向风速的廓线。

该激光雷达的二维扫描单元工作仰角45o，方位指向东，距离分辨率为30m，进行了10000个脉冲累加平均。可以看出连续测量的3组数据趋势基本一致，从2km至8km风速变化不大，大气相对运动比较稳定，大体呈现一个增加趋势，在8 km左右达到一个最大风速约15 m/s。8km以上，风速呈现递减趋势。夜晚的探测距离可以达到9km。

4 结束语
介绍了自行研制的1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数，系统地叙述了各部分的结构和功能。该激光雷达正在合肥进行对流层径向风速的初步探测，并取得了初步的测量结果。实验结果表明该激光雷达系统性能稳定，夜晚的探测高度可以达到9km。它的成功研制为进一步开展各领域内测风激光雷达的开发与应用奠定了坚实的技术基础。