FabrY-Perot标准具的多普勒测风激光雷达脉冲锁频方法研究

摘要

随着激光器和光电子技术的迅速发展，非相干探测多普勒测风激光雷达作为可晴空探测风场精细结构的有效遥感手段，已在许多国家获得广泛应用。脉冲激光锁频技术是非相干多普勒测风激光雷达的主要关键技术之一，其频率锁频性能将直接影响测风精度及激光雷达的实用性，具有较好的理论研究意义及实用价值。
　　论文选用Nd:YAG脉冲激光器的三倍频波长354.7nm作为发射源，通过种子注入技术实现单频率脉冲输出并对其稳频，使用Fabry-Perot(F-P)标准具作为鉴频器，设计了一套基于F-P标准具单边缘检测的多普勒测风激光雷达系统，研究了针对低空气溶胶散射信号的单边缘探测理论，并对不同的锁频方法进行了探讨，结合实际实验条件提出了采用以种子注入技术进行粗调并利用控温的F-P标准具细调相结合的脉冲激光锁频方法，设计了脉冲实时锁频流程，实现大的频率移动范围及高精度的频率锁频。
　　论文针对锁频方案进行了种子激光器的稳频实验;仿真研究了发散角和温度对F-P标准具透射率的影响，获得了F-P标准具温控范围以及控制精度;利用Pt电阻和TEC元件设计了基于STC12C5A60S2的智能F-P标准具温控调频系统，完成了计算机测控与PID温控系统的硬件、软件设计及系统调试，实现了温控范围20℃～45℃内±0.05℃的初步温度控制精度;利用标准大气模型，针对锁频精度对灵敏度、信噪比及测风误差的影响，进行了理论仿真研究，获得了探测距离10km处的由于此锁频精度引起的测风误差为0.42m/s。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 多普勒测风激光雷达的研究进展

1．2．1 国外研究概况

1．2．2 国内研究概况

1．2．3 多普勒测风激光雷达的稳频技术

1．3 论文的主要研究内容

2 非相干多普勒测风激光雷达原理

2．1 激光多普勒频移原理

2．2 大气散射效应

2．2．1 米散射机理

2．2．2 瑞利散射机理

2．2．3 米和瑞利散射后向散射光的频谱展宽

2．3 多普勒测风激光雷达工作原理

2．4 边缘检测技术

2．4．1 基于F-P单边缘非相干多普勒测风原理

2．4．2 锁频点位置的确定

2．5 本章小结

3 脉冲激光锁频方案的研究

3．1 非相干多普勒测风激光雷达系统

3．1．1 系统概述

3．1．2 激光发射系统

3．2 种子注入实验研究

3．2．1 种子注入原理

3．2．2 种子注入稳频实验

3．3 F-P标准具特性的模拟仿真

3．3．1 F-P标准具结构及重要参数

3．3．2 发散角对F-P标准具特性的影响

3．3．3 温度与F-P标准具透射率的关系

3．4 本章小结

4 F-P标准具的温控调频系统设计

4．1 F-P标准具温控调频系统的结构设计

4．2 温控调频系统总体设计方案

4．3 PID温控系统硬件设计

4．3．1 测温模块的设计

4．3．2 A／D转换模块的设计

4．3．3 温控模块设计

4．4 PID温控系统软件设计

4．4．1 控制算法选择

4．4．2 上位机界面的设计

4．5 实验结果及分析

4．6 本章小结

5 锁频方法的实现及其引起测风误差

5．1 种子激光器波长调整实验

5．2 F-P标准具的锁频系统设计

5．3 锁频流程软件设计

5．4 光电探测电路的设计及调试

5．5 锁频精度引起的测风误差计算与分析

5．5．1 灵敏度与测风误差的关系

5．5．2 信噪比对测风误差的影响

5．6 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献