摘要
长期以来，风速廓线测量一直是天气预报的首要任务。因此，大气风速探测对于研究大气运动变化极为重要。为了解决大气风场探测存在的采集数据量不足、低分辨率和低准确度等诸多问题，本文研究了一种已经被证实的、可以通过直接(非相干)探测或外差(相干)探测技术、用于风速测量的多普勒激光雷达。由于高灵敏度的外差法(相干)技术在本质上受限于气溶胶米氏散射的光，而直接(非相干)探测通常在可见光或紫外光领域进行，也对分子瑞利散射的光敏感。这一根本区别在于：当大气层中的气溶胶含量很低时，直接(非相干)探测激光雷达比外差式(相干)探测激光雷达更具有明显的优势。因此，本文总结了风速探测的相关理论，并根据研究目标完成了系统的光学设计，确定了光学器件的选型，同时设计并搭建了一套基于四通道Mach-Zehnder干涉仪的多普勒测风激光雷达系统，通过地基观测实验采集了回波信号数据并成功反演了大气径向风速廓线、大气温度、大气分子及气溶胶的后向散射系数和消光系数，最后重点分析了测风系统的风速绝对误差，以此评估测风系统的精度和测风效果。 首先，本文分析了测风系统的基本原理，即利用了光的多普勒效应，进而详细研究了该系统的鉴频装置四通道Mach-Zehnder干涉仪，得出了大气风速反演的理论计算方法。同时也推导出测风系统的相关数据集，包括大气分子及气溶胶的后向散射比、消光系数等参数，此外还详细的研究了大脉冲激光器的发射机理，为多普勒激光雷达的模型构建以及增强脉冲激光发射能量的研究提供了理论基础。 其次，本课题设计了一套基于四通道Mach-Zehnder干涉仪的多普勒测风激光雷达系统，主要包括外光路收发系统的设计，内光路干涉仪的设计，以及软硬件和算法的设计。其中，外光路收发系统的设计是研究大脉冲激光发射器和种子激光器的发射机理以及它们的基本结构；内光路干涉仪的设计主要是研制了两套用于鉴频的四通道Mach-Zehnder干涉仪，利用采购的1064nm和532nm的光学元件搭建出完整的短光程差(3cm)的四通道Mach-Zehnder干涉仪。此外，还利用与干涉仪相同波段的小激光器(1064nm或532nm)和示波器完成对四通道Mach-Zehnder干涉仪的校准，其最大干涉对比度可达0.869，再通过自研的光学收发系统和数据采集系统完成对激光雷达回波信号的接收及检测。由于1064nm的激光为近红外波段，属于不可见光，因此还需要近红外卡片(如荧光测试卡)来定位光束位置。 最后，本课题利用搭建好的基于四通道Mach-Zehnder干涉仪的多普勒测风激光雷达系统来进行测风反演实验，通过探测器采集已标定好的干涉仪所通过的光子信号，再利用采集卡将采集到的光信号转换为数字信号并通过上位机软件输出显示到上位机的界面上。运用激光雷达理论知识和相关算法对干涉仪的采集回波信号的数据分析，反演了对流层径向大气风速，大气分子及气溶胶后向散射系数和消光系数以及大气温度，并重点评估了系统的信噪比和风速测量误差。 实验结果表明：将大脉冲激光器的发射脉冲能量调至255mJ下进行测试，系统信噪比最大峰值可达1433，其最远风速探测距离约为8km。其中高精度的风速探测范围可达2km，在该范围内的实际测风误差均在1.593m/s之内，误差最小值仅为0.418m/s。此外，实验还测得8km范围内的大气分子及气溶胶后向散射系数和消光系数以及10km范围内的大气温度。其中气溶胶消光系数的测量精度为±0.001m-1，10km内的大气温度的测量误差均在2K范围内，达到了本课题设定的预期目标。
NETL