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336

作者：

谭林秋

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摘要：

大气风场在人类日常活动,军事和航空领域都具有重要的意义.多普勒激光雷达的非相干探测是目前测量大气风廓线的一种有效工具,它能对大气风场进行连续,实时,快速的遥感监测,具有很高的时空分辨率.鉴频系统是多普勒测风激光雷达的重要组成部分,鉴频精度直接影响了测风的精度,因此,对鉴频系统的研究一直都是多普勒测风激光雷达系统研究的重点. 论文以非相干多普勒激光雷达测风理论为依据,通过理论计算和数值仿真在获得Fabry-Perot干涉仪(FPI)鉴频性能的基础上,针对 FPI鉴频存在的一些缺点,采用Mach-Zehnder干涉仪(MZI)作为鉴频器来进行多普勒测风,并将MZI和FPI的鉴频性能进行了数值仿真和比较,给出了各自的优缺点和适用范围.进一步地,为了满足空基平台激光雷达探测大气风场的需求,提出并设计了基于光纤MZI的小型化非相干多普勒激光雷达鉴频系统,研究了光纤MZI的鉴频原理并对其鉴频性能进行了仿真,验证了系统的可行性. 对基于传统鉴频器FPI的单边缘检测,双边缘检测和条纹图像检测技术分别进行了理论分析和研究,针对每种检测技术又分别从1064 nm的气溶胶系统和355 nm的大气分子系统两个方面,对FPI的鉴频性能包括风速灵敏度,信噪比以及风速测量误差进行了计算和数值仿真,获得了基于 FPI的全面的鉴频性能分析.并利用光学设计软件ZEMAX对基于FPI的环转线系统进行了仿真,来解决FPI环状干涉条纹与商用阵列式探测器不匹配的问题.基于仿真线条纹,采用 Voigt函数拟合法进行数据处理和风速反演,获得风速在20 m/s左右时,误差小于0.5 m/s的结果,验证了环转线模型及数据分析和处理方法的可行性. 针对FPI鉴频存在透过率低,对视场要求比较高,所成环状干涉条纹很难探测的问题,选择采用双通道MZI作为新的鉴频器来进行多普勒测风.对基于MZI双边缘检测技术和条纹图像技术的1064 nm气溶胶系统和355 nm大气分子系统分别进行了优化设计.重点对双通道MZI在各个系统中的鉴频性能进行了数值仿真并与相应的FPI系统进行了比较,结果表明,MZI不适合用于1064 nm的气溶胶系统,因为在光程差进行优化的前提下,其径向风速动态测量范围很小,但其用于355 nm大气分子系统时,无论是双边缘技术还是条纹技术,MZI鉴频系统的风速测量误差都小于同级别的FPI系统,验证了MZI作为鉴频器的可行性并划定了MZI的适用范围. 对基于 MZI大气分子鉴频系统的几个关键技术分别进行了研究.仿真分析了 MZI两个重要参数(光程差和棱镜分光比)的变化对鉴频性能的影响,在一定的风速误差范围内计算反演出了相应参数的误差容限,为系统的搭建起到了指导作用.针对 MZI具有生成的直线条纹易于探测,可进行视场展宽等优点,利用光学设计软件ZEMAX对基于条纹图像MZI的355 nm大气分子鉴频系统进行了设计和仿真,并利用MZI视场补偿技术实现了视场展宽.结果表明采用SineSqr函数拟合法可获得在±100 m/s的径向风速范围内小于0.45 m/s的风速误差,视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下,能最大补偿1°的视场角.以上基于MZI关键技术的研究将为MZI作为鉴频器在测风激光雷达中的开发和应用提供了理论支持. 针对机械式MZI结构不够紧凑,光程差不好调节,稳定性差,易受外界环境干扰等缺点,提出并设计了一套全光纤MZI非相干测风激光雷达鉴频系统,针对大气分子散射信号的特点,对光纤MZI鉴频系统进行了优化设计并对光纤MZI的鉴频性能进行了数值仿真,获得垂直探测高度达到15 km,水平风速在±100 m/s的范围内时,水平风速误差小于1.35 m/s的仿真结果,验证了全光纤MZI鉴频系统的可行性. 理论研究及数值仿真结果表明,MZI作为新的鉴频器用于355 nm大气分子系统具有小于FPI的风速测量误差,光纤MZI鉴频系统体积小,重量轻,结构紧凑,稳定性高,构建的全光纤大气分子散射激光雷达系统可用于空基平台的大气风场探测,研究成果可为我国非相干多普勒激光雷达提供全新的鉴频技术方案.

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关键词：

多普勒测风激光雷达 鉴频系统 Mach-Zehnder干涉仪 数值仿真 大气风场

学位级别：

博士

学位年度：

2015

DOI：

10.7666/d.D01040550