楊 娜，杜 軍

（1.黑龍江工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150050；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080）

米散射測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)單Fabry-Perot干涉儀鑒頻系統(tǒng)

楊 娜1，杜 軍2

（1.黑龍江工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150050；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080）

對(duì)非相干米散射多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)單Fabry-Perot干涉儀雙邊緣鑒頻系統(tǒng)進(jìn)行理論研究。證明通過適當(dāng)?shù)亟档痛讼到y(tǒng)斜入射通道信號(hào)光的發(fā)散角可以有效地彌補(bǔ)其邊緣曲線不對(duì)稱產(chǎn)生的測(cè)量精度降低的缺陷，使其能夠接近雙Fabry-Perot干涉儀雙邊緣鑒頻系統(tǒng)的測(cè)量精度。還證明此系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際風(fēng)速的需要調(diào)整其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍以獲得更高測(cè)量精度，具有更高的靈活性。

非相干探測(cè)；測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)；鑒頻系統(tǒng)；雙邊緣技術(shù)；Fabry-Perot干涉儀

對(duì)于整個(gè)對(duì)流層以及平流層底部大范圍氣候?qū)W以及小范圍輸運(yùn)混合過程的研究，風(fēng)速信息被認(rèn)為是最重要的參數(shù)之一。主動(dòng)遙感方法，特別是多普勒激光雷達(dá)方法，已經(jīng)證明可以用于獲得高時(shí)空分辨率的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果［1－3］。多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)主要分為相干探測(cè)（外差探測(cè)）和非相干探測(cè)（直接探測(cè)）兩類。由于非相干探測(cè)方法可以利用紅外或紫外光分別對(duì)氣溶膠的米散射或分子的瑞利散射信號(hào)光進(jìn)行監(jiān)測(cè)以獲得整個(gè)大氣范圍的風(fēng)速信息，所以受到越來(lái)越多人的關(guān)注［4－8］。邊緣技術(shù)是非相干探測(cè)中的一項(xiàng)主要方法，其包括利用碘蒸汽濾波器的單邊緣技術(shù)［2］以及利用Fabry-Perot（F-P）干涉儀的雙邊緣技術(shù)［9］。

中國(guó)第一臺(tái)1 064nm基于F-P干涉儀雙邊緣技術(shù)的非相干米散射多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)已經(jīng)于2005年由夏海云、孫東松等人［10］研制成功，并且對(duì)于它的一系列改進(jìn)工作也于2008年完成［1］。他們的系統(tǒng)中使用了兩個(gè)不同厚度（其厚度差約為34nm）的F-P干涉儀來(lái)構(gòu)造雙邊緣多普勒鑒頻系統(tǒng)。為了降低這種典型的雙邊緣結(jié)構(gòu)的制造難度和成本，Kim等［11］人提出了一種不同的雙邊緣多普勒鑒頻系統(tǒng)。其具體工作方式為：把信號(hào)光分成兩束不同偏振的光分別以不同角度入射到1塊固體F-P標(biāo)準(zhǔn)具。由于兩束信號(hào)光的入射角度不同，那么它們的透過率曲線將會(huì)彼此分開，從而實(shí)現(xiàn)雙邊緣結(jié)構(gòu)。通過實(shí)驗(yàn)證明，此種雙邊緣結(jié)構(gòu)的測(cè)量精度高于單邊緣結(jié)構(gòu)，并且利用其對(duì)旋轉(zhuǎn)硬目標(biāo)進(jìn)行了速度測(cè)量。本文為了相互區(qū)別，稱夏海云、孫東松等人的系統(tǒng)為雙F-P干涉儀雙邊緣鑒頻系統(tǒng)（DFDE），Kim等人的系統(tǒng)為單F-P干涉儀雙邊緣鑒頻系統(tǒng)（SFDE）。

本文對(duì)這種單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)在直接探測(cè)米散射多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的理論研究，給出新的與之相適應(yīng)的光束發(fā)散角對(duì)F-P干涉儀透過率的影響公式。提出一種新的改進(jìn)方法來(lái)彌補(bǔ)這種結(jié)構(gòu)由于邊緣曲線不對(duì)稱而產(chǎn)生測(cè)量精度下降的缺陷，并證明這種結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際風(fēng)速來(lái)調(diào)整測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，以提高測(cè)量精度。

1 理論基礎(chǔ)

在多普勒鑒頻系統(tǒng)中F-P干涉儀通常由具有一定視場(chǎng)角θM（半角）的準(zhǔn)直信號(hào)光照射，假設(shè)光強(qiáng)在此角度范圍內(nèi)均勻分布，F(xiàn)-P干涉儀的透過率曲線可以表示為

在雙邊緣結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)測(cè)量通道透過率比值通常被用作鑒頻標(biāo)準(zhǔn)來(lái)獲取激光視線風(fēng)速引起的多普勒頻移，其可以表示為［1］其中，TM1（ν）和TM2（ν）分別表示兩個(gè)通道激光或米散射信號(hào)光的透過率表達(dá)式。另外，出射激光視線風(fēng)速測(cè)量誤差可表示為［5］

2 單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法

假設(shè)，在雙F-P干涉儀雙邊緣鑒頻系統(tǒng)中，兩個(gè)F-P干涉儀厚度分別為d1＝4.3mm、d2＝d1－34nm；F-P干涉儀表面缺陷、反射率以及散射吸收損耗分別為dD＝633nm／100、R＝86.6、A＝0.002 5；激光波長(zhǎng)、線寬以及信號(hào)光發(fā)散角分別為λL＝1 064nm、νL＝90MHz、θM＝0.5mrad；大氣溫度T＝273K；大氣散射信號(hào)光被分成兩個(gè)通道，分別垂直入射這兩個(gè)F-P干涉儀，利用方程（1）可以計(jì)算出這兩個(gè)通道1和2的大氣米和瑞利后向散射光的透過率曲線，如圖1所示。

圖1 雙F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)米和瑞利散射信號(hào)光透過率曲線

單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)兩個(gè)通道的米散射光透過率曲線也被計(jì)算出來(lái)，并在圖2中用虛線以及實(shí)線（發(fā)散角θM2＝0.5mrad）表示出來(lái)，除了2通道信號(hào)光的入射角度不同（θ2＝1.31mrad）以及使用單F-P干涉儀（d＝4.3mm），其他參數(shù)與雙FP干涉儀雙邊緣鑒頻系統(tǒng)參數(shù)都相同。通過觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，2通道（斜入射光）的透過率峰值要低于1通道（垂直入射光）的峰值，這與Kim的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致［11］。其原因在于斜入射光的空間分布不均勻，才造成其透過率峰值下降。那么這種邊緣曲線不對(duì)稱必定會(huì)影響這種單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)的測(cè)量精度，應(yīng)該得到改進(jìn)。解決方法是通過降低斜入射信號(hào)光的空間發(fā)散角來(lái)提高其峰值透過率，從而降低這種不對(duì)稱性。如圖2所示，使2通道信號(hào)光的發(fā)散角分別降低為0.3mrad和0.15 mrad，相應(yīng)的透過率曲線用不同實(shí)線表示出來(lái)，通過比較可以發(fā)現(xiàn)其透過率峰值隨其發(fā)散角的降低而明顯升高。按照這種趨勢(shì)，如果對(duì)發(fā)散角沒有限制的話，單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)的透過率曲線將會(huì)非常接近雙F-P干涉儀雙邊緣的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

圖2 單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)米散射信號(hào)光透過率曲線

鑒于以上結(jié)果，對(duì)Kim給出的單F-P干涉儀雙邊緣鑒頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該進(jìn)行一些改進(jìn)，如圖3所示。激光或大氣后向散射信號(hào)光由多模光纖1導(dǎo)入系統(tǒng)，先經(jīng)過凸透鏡2進(jìn)行準(zhǔn)直，然后再經(jīng)偏振分光棱鏡3分為不同偏振的兩束光作為雙邊緣結(jié)構(gòu)的1（透射）和2（反射）兩個(gè)探測(cè)通道，再分別利用分束鏡5和8分出部分光，由光電探測(cè)器7和10對(duì)這兩個(gè)偏振通道的光進(jìn)行能量檢測(cè)。接下來(lái)2通道的信號(hào)光再經(jīng)擴(kuò)束鏡11進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)束以降低其發(fā)散角。然后再利用反射鏡12和偏振分光棱鏡13對(duì)這兩個(gè)通道的信號(hào)光進(jìn)行和束并通過單厚度空氣隙F-P干涉儀。經(jīng)過F-P干涉儀的兩個(gè)偏振信號(hào)光再由偏振分光棱鏡15將其分開并分別用電倍增管17和19進(jìn)行邊緣探測(cè)。

通過調(diào)整反射鏡4和12可以改變兩個(gè)通道信號(hào)光的入射角度，使1和2通道信號(hào)光分別垂直和斜入射F-P干涉儀。用每個(gè)通道邊緣檢測(cè)信號(hào)和能量檢測(cè)信號(hào)的比值作為每個(gè)通道的歸一化透過率信號(hào)。由于降低斜入射信號(hào)光發(fā)散角是通過對(duì)其擴(kuò)束來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加F-P干涉儀的直徑以滿足斜入射通道光束孔徑的要求。另外，雖然Kim提出利用激光頻率調(diào)節(jié)與固體F-P標(biāo)準(zhǔn)具結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)出射激光頻率鎖定在雙邊緣曲線的交點(diǎn)上，但是在這里還是建議使用廣泛應(yīng)用的空氣隙厚度可調(diào)的F-P干涉儀進(jìn)行激光頻率的鎖定［10］。

圖3 單F-P干涉儀雙邊緣鑒頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的鑒頻曲線、測(cè)量靈敏度、信噪比以及不確定度都是非常重要的參數(shù)。這兩種不同雙邊緣結(jié)構(gòu)的參數(shù)已經(jīng)計(jì)算出來(lái)并在圖4中給出。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著斜入射通道（2通道）發(fā)散角的降低，單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)（SFDE）的這些重要參數(shù)都逐漸接近雙F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)（DFDE）的參數(shù)。這說(shuō)明提出的降低斜入射通道光束的發(fā)散角的辦法可以降低此邊緣結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性產(chǎn)生的影響

多普勒測(cè)風(fēng)激光的測(cè)量不確定度與回波光子數(shù)N0、米和瑞利散射比Ra以及大氣溫度T都有關(guān)系。對(duì)于不同大氣條件下，這兩種雙邊緣結(jié)構(gòu)的測(cè)量不確定度在圖5中給出并進(jìn)行比較。圖5（a）、圖5（b）為不同回波光子數(shù)時(shí)，雙與單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)的測(cè)量不確定度。圖5（c）、圖5（d）為不同米和瑞利散射比時(shí)，雙與單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)的測(cè)量不確定度。其中假設(shè)單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)的斜入射通道光束發(fā)散角為0.3mrad。通過比較發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改進(jìn)后這兩種結(jié)構(gòu)在不同大氣條件下可以具有近似相同的測(cè)量精度。

圖4 雙邊緣結(jié)構(gòu)的參數(shù)

圖5 不同雙邊緣結(jié)構(gòu)的測(cè)量不確定度

3 測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍和精度調(diào)節(jié)方法分析

此類多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)量精度與測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍具有大概反比例的關(guān)系，即當(dāng)F-P干涉儀的半高全寬以及透過率峰值之間的間隔降低時(shí)，雙邊緣結(jié)構(gòu)的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍就會(huì)隨之降低；同時(shí)測(cè)量靈敏度就會(huì)升高，從而使精度得到提升（見式（4））。在之前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了滿足可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速，把測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)的足夠?qū)?，這樣就會(huì)以犧牲一定的測(cè)量精度為代價(jià)，然而，并不是每次測(cè)量時(shí)都會(huì)有大風(fēng)速出現(xiàn)，這樣就相當(dāng)于一種測(cè)量精度的損失。對(duì)于這種矛盾，最好的解決辦法就是根據(jù)實(shí)際風(fēng)速的需要盡可能選擇小的動(dòng)態(tài)范圍以獲得盡可能高的測(cè)量精度。相比較而言，單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)這種設(shè)想。

如圖6（a）所示，通過對(duì)1通道光束擴(kuò)束使其具有與2通道相同的發(fā)散角，這樣1通道透過率曲線的半高全寬就會(huì)降低，同時(shí)其峰值透過率就會(huì)隨之升高，由于單F-P干涉儀2通道光束孔徑大于1通道的光束孔徑（見圖2），所以在空間上可以實(shí)現(xiàn)1通道的擴(kuò)束以降低其發(fā)散角。通過調(diào)節(jié)圖2中全反鏡12的角度很容易使2通道的傾斜角度降低，這樣2通道透過率曲線的半高全寬也會(huì)降低，同時(shí)其峰值透過率也會(huì)隨之升高，并且兩個(gè)通道的透過率峰值間隔就會(huì)縮小。通過以上的調(diào)整方式，同一單FP干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)可以很容易地實(shí)現(xiàn)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的降低。在圖6（a）中，調(diào)整斜入射通道2的入射角度，圖6（b）為此調(diào)整過程對(duì)應(yīng)的測(cè)量不確定度與動(dòng)態(tài)范圍的變化過程。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著2通道傾斜角的降低，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍在降低，測(cè)量不確定度先減小后增大，在θ2＝1.09mrad時(shí)達(dá)到最低。對(duì)于此單F-P干涉儀雙邊緣結(jié)構(gòu)調(diào)整前后測(cè)量不確定度和范圍的對(duì)比在圖7中給出，通過觀察很容易發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)量范圍的降低測(cè)量精度明顯升高。這就意味著當(dāng)實(shí)際風(fēng)速比較小時(shí)，可以調(diào)整1通道的發(fā)散角以及2通道傾斜角度，來(lái)降低測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，以獲得更高的測(cè)量精度。

4 結(jié) 論

圖6 2通道不同入射角情況下單F-P雙邊緣結(jié)構(gòu)特性

圖7 測(cè)量精度與范圍比較

本文對(duì)非相干米多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的單F-P干涉儀雙邊緣鑒頻系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究。此系統(tǒng)是通過使兩束不同偏振的信號(hào)光以不同的角度入射同一厚度的F-P干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)雙邊緣結(jié)構(gòu)。在加工難度和成本方面較之前的雙邊緣結(jié)構(gòu)有很大的降低，同時(shí)在使用過程中具有更多的靈活性。但是，由于斜入射通道光束空間分布不均勻，使得此種結(jié)構(gòu)兩個(gè)邊緣曲線分布不對(duì)稱，造成測(cè)量精度降低的缺陷。本文通過對(duì)斜入射通道的光束進(jìn)行擴(kuò)束降低發(fā)散角的方法可以使其透過率峰值升高，來(lái)彌補(bǔ)這種結(jié)構(gòu)邊緣曲線不對(duì)稱的缺陷。在只考慮散粒噪聲情況下，對(duì)兩種不同邊緣結(jié)構(gòu)在不同大氣條件下測(cè)量不確定度的比較可以發(fā)現(xiàn)，通過這種改進(jìn)單F-P干涉儀雙邊緣系統(tǒng)可以具有與雙F-P干涉儀雙邊緣系統(tǒng)大概相同的測(cè)量精度。另外，本文還證明利用這種雙邊緣結(jié)構(gòu)先天的靈活性可以根據(jù)實(shí)際風(fēng)速的需要盡可能調(diào)整降低測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，以獲得高的測(cè)量精度。

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［責(zé)任編輯：劉文霞］

The single Fabry-Perot interferometer frequency analyzer for Mie wind Lidar

YANG Na1，DU Jun2

（1.College of Electrical and Information Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China；2.National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China）

The single Fabry-Perot interferometer（FPI）double-edge structure in incoherent Mie Doppler wind Lidar is investigated theoretically.It has proved that，by reducing the divergence of nonzero angle beam of this structure appropriately，the deficiency caused by the asymmetric edge curves can be made up effectively and can have approximate equal measurement accuracy with the double FPIs double-edge structure.It also has proved that the Lidar system with this structure can tune the measuring dynamic range for wind velocity requirement to reach as high measurement accuracy as possible and has a strong adaptability.

non-coherent detection；wind Lidar；frequency discriminator；double-edge technique；Fabry－Perot Interferometer

O43

A

1671-4679（2015）01-0036-06

2014-05-19

楊 娜（1980－），女，講師，研究方向：光學(xué).