[发明专利]基于单固体FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种多普勒激光雷达测量系统，特别涉及一种基于单固体FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量系统。

背景技术

从上世纪八十年代开始，直接探测多普勒激光雷达技术得到了迅猛的发展，先后出现了两种多普勒频率检测技术：边缘技术和条纹成像技术。边缘技术最先是基于FP干涉仪单边缘技术。1998年，Korb等人发展了基于FP干涉仪的双边缘技术。除了采用FP干涉仪作为鉴频器之外，后来还发展了采用碘分子谱线进行鉴频的方法。2001年Bruneau D提出了采用Mach-Zehnder干涉仪作为边缘技术的鉴频器。条纹成像技术最先采用的FP干涉仪作为鉴频器。由于FP干涉仪产生的是环状条纹，给直接检测带来不便。2002年，J A Mckay分析了采用Fizeau干涉仪作为鉴频器的检测性能，同年Bruneau D提出了采用Mach-Zehnder干涉仪作为条纹成像技术的鉴频器。相比较而言，基于FP干涉仪的双边缘技术是目前最为普遍采用的技术。但通过仔细分析发现，该技术只利用了FP干涉仪透射信号的鉴频能力，而没有利用反射信号的鉴频能力。这样无论从探测信噪比角度，还是从系统鉴频灵敏度来看，都可能没有充分挖掘FP干涉仪的频谱特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于单固体FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量系统，能用基于单个FP标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达测量风速。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的风速测量原理如图1所示，FP标准具的任意一级透射谱和反射谱的前后两腰分别相交，形成四个边缘。为充分利用这四个边缘，发射激光频率v_0i(i＝1，2)在两个交点附近交替改变，从而形成“双频率四边缘”探测技术。发射激光入射到大气中，遇到有宏观运动速度的气溶胶粒子或大气分子(即风速)，由于光的多普勒效应，与发射激光相比，后向散射光的频率v_i(i＝1，2)将存在和激光发射方向风速分量(即径向风速)V_r相对应的多普勒频移量v_d＝v_i-v_0i=2V_r/λ，其中λ为发射激光波长。这样，后向散射光信号经过FP标准具的透过率和反射率将发生相应变化。根据透过率和反射率的变化量，根据事先已知的透射谱和反射谱可以算得多普勒频移量，进而得到径向风速的大小和方向。

频率为v的单色平行光入射到理想的Fabry-Perot标准具的透过率和反射率分别为：

其中θ为入射角；v_FSR=c／2nd为标准具自由谱间距，d为平板的间隔，n为板间的折射率，c为真空中光速；Δv_1／2为标准具带宽。

然而，实际入射到FP标准具的光信号是由光纤耦合，并经过准直系统后得到，故不是严格的平行光；同时，无论是发射激光，还是后向散射信号光都不是严格的单色光。此外，实际FP标准具对入射光信号存在吸收和散射等影响；实际标准具的两个平板表面不严格平整，存在一定的缺陷；两平板也不可能做到严格平行，存在一定的不平行度。假设入射到实际FP标准具的光信号全发散角为2θ₀、频谱为高斯分布(因发射激光谱线、米后向散射谱和瑞利后向散射谱理论上都近似为高斯分布)且光强均匀，经推导该光信号经过FP标准具后的透过率和反射率分别为

其中