0  引 言

　　激光雷達用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測技術(shù)手段的主動遙感設備。激光雷達是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進探測方式。由發(fā)射系統(tǒng) 、接收系統(tǒng) 、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器以及光學擴束單元等組成；接收系統(tǒng)采用望遠鏡和各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等組合。激光雷達采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法按照探測的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達。

    目前的風場數(shù)據(jù)主要來源于無線電探空測風儀、地面站、海洋浮標、觀測船、飛行器以及衛(wèi)星，它們在覆蓋范圍和觀測頻率上都存在很大限制。對進行直接三維風場測量已經(jīng)提到日程上來，世界氣象組織提出了范圍的高分辨率大氣風場數(shù)據(jù)的迫切需要，迄今為止，多普勒測風激光雷達是能夠獲得直接三維風場廓線的工具，具有提供所需數(shù)據(jù)的發(fā)展?jié)摿1]。

　　激光雷達是探測大氣的有力工具，隨著激光技術(shù)、光學機械加工技術(shù)、信號探測、數(shù)據(jù)采集以及控制技術(shù)的發(fā)展，激光雷達技術(shù)的發(fā)展也日新月異。多普勒測風激光雷達具有實用性、高分辨率和三維觀測等優(yōu)點，是其它探測手段難以比擬的[2, 3, 4]。

　　新研制的1064 nm直接探測多普勒測風激光雷達，利用雙邊緣技術(shù)對對流層三維風場進行探測[5]。本文介紹了該激光雷達的總體結(jié)構(gòu)及其各部分的功能，并對其探測對流層風場的初步結(jié)果進行了分析和討論。

1  總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

　　1064 nm直接探測多普勒測風激光雷達從整體上由激光發(fā)射單元、二維掃描單元，回波信號接收單元、信號探測和數(shù)據(jù)采集單元及控制單元五部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖和外觀照片分別見圖1和圖2，主要的技術(shù)參數(shù)見表1。

　　激光發(fā)射單元、回波信號接收單元、信號探測和數(shù)據(jù)采集單元放置在光學平臺上，保證其光學穩(wěn)定性。Nd:YAG激光器的中心波長是1064 nm，工作在此波長，可以有較大的激光輸出功率，并且氣溶膠的后向散射截面比較大。脈沖重復頻率為50 Hz，可以節(jié)省探測的時間，能捕捉短時間內(nèi)風速的變化，有利于提高風速探測的準確度。

　　二維掃描單元安置在實驗房的房頂，接收望遠鏡的上方。由兩個鍍有1064 nm波長全反的介質(zhì)膜的平面反射鏡、水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和垂直旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成的大口徑光學潛望式結(jié)構(gòu)。通過軟件控制或者手動調(diào)節(jié)能夠全方位掃描，水平方向可以旋轉(zhuǎn) 0o至360o，垂直方向可以旋轉(zhuǎn)0o至180o。

　　接收望遠鏡在二維掃描單元的正下方，有效通光口徑為300 mm，如圖1所示。20％的反射信號作為能量探測，由直角反射棱鏡分成兩束，分別由光子計數(shù)探測器接收；80％的透射信號作為信號探測，經(jīng)過雙Fabry-Perot標準具的兩個通道后，由于透過率的不一樣，得到強度不等的兩束光信號，由直角反射棱鏡分為兩束，由相應的光子計數(shù)探測器接收。

　　控制柜內(nèi)安裝有工控機，其內(nèi)安裝的1064nm直接探測多普勒測風激光雷達的系統(tǒng)運行控制軟件通過RS232串口控制激光器、二位掃描單元和雙Fabry-Perot標準具工作，起著系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)作用?？刂乒駜?nèi)還有雙Fabry-Perot標準具的控制器 CS100、二位掃描單元的控制器、門控裝置以及同軸系統(tǒng)對光時使用的監(jiān)視器和各部件的電源。

2  雙Fabry-Perot標準具的透過率響應曲線的測量

　　1064nm直接探測多普勒測風激光雷達的關(guān)鍵技術(shù)之一就是采用高分辨率的雙Fabry-Perot標準具，它在一對基板上通過鍍膜或沉積方式形成兩個面積和大小相同的半圓形干涉儀，根據(jù)鍍膜的厚度可以形成標準具的兩個通道頻譜中心分離，形成透過率響應曲線的交疊。由于它們固定在一個基板上，雙 Fabry-Pero標準具的兩個通道的中心頻率的相對位置受溫度的漂移變化相同，保證標準具的頻譜中心間隔大小恒定。

　　雙Fabry-Perot標準具的透過率曲線的測量是通過系統(tǒng)運行控制軟件的CS100控制子程序?qū)ζ淝婚L大小的控制，從而得到頻率與透過率的對應曲線。圖3是2005年4月27日19:04，500個脈沖累加平均測量得到的雙Fabry-Perot標準具的透過率曲線，通道一（實圓點）與通道二（虛圓點）的頻譜中心間隔為228.2 MHz，半寬度分別為 205.0 MHz和224.3 MHz，實曲線與虛曲線分別為兩通道的相應擬合曲線，其峰值透過率分別為73.7% 和70.8%，測量結(jié)果與表1對應的技術(shù)參數(shù)基本一致。

　　由于環(huán)境因素引起光學單元和電子器件的漂移，而且操作人員的活動可能引起接收機部件的振動而造成雙Fabry-Perot標準具的腔長漂移，以及激光器長時間工作引起頻率的漂移，都對標準具透過率曲線的測量產(chǎn)生影響。為了檢驗雙Fabry-Perot標準具的性能，從2005年4月24日至2005年5月 15日內(nèi)，進行了8次測量，透過率響應曲線如圖4，實曲線和虛曲線分別對應通道一和通道二的透過率響應曲線。

3  對流層風場的初步結(jié)果

　　圖5給出了1064 nm直接探測多普勒測風激光雷達2005年4月20日17:18在合肥地區(qū)測量到的0.48 km至3 km的風廓線。圖中虛圓點和實圓點線分別是二維掃描單元指向東和西測量得到的風廓線，由于當天是東風，向東方向測量得到的多普勒頻移為正值，對應的風速亦為正值；向西方向測量得到的多普勒頻移為負值，對應的風速則為負值，且二者在不同高度上的風速體現(xiàn)了較好的一致性，這表明大氣風場在測風激光雷達探測時間內(nèi)不同高度上的風向和風速都沒有什么大的變化。

　　圖6給出了1064 nm直接探測多普勒測風激光雷達2005年9月10日晚上在同一地點探測得到的徑向風速的廓線。

　　該激光雷達的二維掃描單元工作仰角45o，方位指向東，距離分辨率為30m，進行了10000個脈沖累加平均。夜晚的探測距離可以達到9km。

4  結(jié)束語

　　介紹了自行研制的1064 nm直接探測多普勒測風激光雷達的總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，系統(tǒng)地敘述了各部分的結(jié)構(gòu)和功能。該激光雷達正在合肥進行對流層徑向風速的初步探測，并取得了初步的測量結(jié)果。實驗結(jié)果表明該激光雷達系統(tǒng)性能穩(wěn)定，夜晚的探測高度可以達到9km。它的成功研制為進一步開展各領(lǐng)域內(nèi)測風激光雷達的開發(fā)與應用奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。