1550nm全光纤相干激光测风雷达技术研究

摘要

风速监测在天气预报、飞机飞行安全和智能风机系统等领域具有非常重要的应用。而激光测风雷达在风速遥感上具有非常高的探测灵敏度和时空分辨率，已被广泛运用于大气风场、大气风廓线和飞机尾流探测，以及危险气流预警等方面。1550nm波段的光处在人眼安全波段，不会对人眼的安全造成威胁。本文开展了基于1550nm波段光纤激光器和光纤器件全光纤相干激光测风雷达探测技术研究。 首先，论文介绍了相干激光测风雷达的基本原理，讨论了相干激光测风探测方法和风场矢量反演，对激光测风雷达公式的同轴、离轴形式分别进行了分析，探讨了在同轴和离轴情况下影响信噪比的因素;深入理解了风速分辨率和距离分辨率的物理内涵，为系统确定风速分辨率和距离分辨率等提供了理论基础。 其次，基于测风雷达原理设计并建立了一套同轴全光纤相干激光测风雷达，这套同轴全光纤相干激光测风雷达由三个部分构成:①雷达发射系统:1550nm光纤激光器有两路输出，一路作为参考光，另外一路经放大由声光调制器调制输出;②光学天线单元:由一个望远镜系统构成，主要功能为发射激光和收集散射光;③数据处理单元:采用GAGE公司的超高速采集卡采集相干拍频信号并通过计算机进行数据处理和分析。 最后，基于建立的相干激光测风雷达系统进行了实验研究。为了验证系统的探测精度和准确性，开展了以下工作:(1)对70米外的墙体硬目标进行测距实验，反射信号在时域上有明显的时间差距，验证了系统的测距可行性和准确性。(2)为了检测系统的测速性能，建立了一套基于可变转速的转轮硬靶测速装置，对系统测速进行定标利用多普勒频移公式测量了不同转速下转轮边缘切向速度，测量结果与转轮的实际速度相关度达到了0.996。(3)为了能够测量实际大气的风速，利用加湿器产生模拟水汽风速测量研究，利用水汽的后向散射光测量了模拟水汽的风速。(4)开展了实际大气的风速测量实验，测得的风速频移量为Δf=3.5MHz，由此计算得到实际大气风速为v=2.7m/s，与当天的气象预报风速相当。