全光纤相干测风激光雷达研究

发布时间：2017-07-05 05:19

  本文关键词：全光纤相干测风激光雷达研究

  更多相关文章： 全光纤 相干检测 激光雷达 风速仪

【摘要】：测风激光雷达是目前可以实时、多尺度主动探测晴空风场的重要方法,在民用航天、航空气象保障、数值天气预报研究、军事保障有较好的应用前景。全光纤相干测风激光雷达是在保偏光纤无源器件的基础上,对原始系统中光学子系统的一种升级。由于全光纤系统中的激光都在光纤中进行传输,所以相比较原始空间光测风系统,该系统能够在更加恶劣外部环境,提供更加稳定的性能。本论文介绍了国内外常用主动式和被动式测风传感器；分析了主动式测风激光雷达中,相干鉴频方式和非相干鉴频方式的优缺点；总结了国内外相干测风激光雷达的发展过程和发展现状。为了能够更全面的了解全光纤相干系统,首先阐述了全光纤相干探测原理,其次分析了一个典型全光纤相干测风激光雷达中激光发射子系统、激光接收子系统、数据采集子系统、信号处理子系统的功能、组成结构、实现算法。最后探讨了这些子系统中所使用关键器件的实现原理、重要指标,以及这些指标所能获得的系统的最佳性能。为了搭建全光纤测风激光雷达系统,模拟了一套激光雷达系统。通过这个模拟系统研究了聚焦式相干激光雷达系统的信噪比；空间光耦合到单模光纤的耦合效率；回波功率和信噪比随着聚焦位置的变化关系；脉冲和连续激光雷达系统信噪比和本振光的关系,给出了模拟系统中系统信噪比最大时所对应的本振光的功率分别为730uW和700uW。分析了脉冲激光雷达系统中,声光调制器(AOM:Acousto-Optical Modulators)消光比与系统性能的关系,结合模拟系统参数计算了该模拟系统中AOM的消光比最小为-90dB。介绍了根据模拟系统所要求的各个部件的性能选择的如激光器、保偏光纤环形器、声光调制器、可调焦望远镜、平衡探测器等器件的指标。使用这些器件,本文搭建了一套全光纤脉冲测风激光雷达和一套全光纤连续风速仪。本文使用设计的全光纤相干脉冲激光雷达系统对大气进行了观测,成功的测量了45m-300m的大气风速。分析和测量了脉冲激光器由于损坏而产生次脉冲的强度,以及对于系统的探测性能的影响。对于搭建的全光纤连续相干风速仪,首先使用转盘对系统的性能进行了标定,实验证明该系统的速度分辨率为0.07m/s。其次利用该风速仪对加湿器喷出的水汽速度、大气中的风速进行了测量。在大气风速的测量中分析了在本振光处添加AOM前后系统的性能的变化,并使用了添加AOM的系统完成了不同方向上风速的测量。
【关键词】：全光纤 相干检测 激光雷达 风速仪
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P412.25
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 0 引言11-23
• 0.1 选题的背景和意义11-12
• 0.2 测风探测器技术发展情况12-17
• 0.2.1 被动式探测技术(Passive Detection Technology)12-14
• 0.2.2 主动式探测技术(Active Detection Technology)14-16
• 0.2.3 测风探测器优劣分析总结16-17
• 0.3 相干测风与非相干测风17-18
• 0.4 测风激光雷达国内外发展状18-22
• 0.4.1 国外发展状况18-22
• 0.4.2 国内发展状况22
• 0.5 论文的主要工作22-23
• 1 全光纤相干测风激光雷达系统研究23-49
• 1.1 相干探测理论23-24
• 1.2 全光纤测风雷达探测系统分析24-26
• 1.3 保偏光纤无源器件26-30
• 1.3.1 保偏光纤26-28
• 1.3.2 保偏环形器28-30
• 1.3.3 保偏光纤耦合器30
• 1.4 发射系统30-33
• 1.4.1 激光器模块30-33
• 1.5 接收系统33-42
• 1.5.1 扫描镜模块33-35
• 1.5.2 望远镜模块35-37
• 1.5.3 探测器模块37-41
• 1.5.4 信号调理和采集41-42
• 1.6 风速反演42-48
• 1.6.1 功率谱估计模块43-47
• 1.6.2 3D风场重建47-48
• 1.7 小结48-49
• 2 激光测风雷达参数计算49-62
• 2.1 激光雷达信噪比49-54
• 2.2 空间光耦合到单模光纤的效率54-55
• 2.3 探测距离和输出能量的关系55-57
• 2.4 脉冲激光雷达AOM消光比57-59
• 2.5 最佳本振光59-61
• 2.6 小结61-62
• 3 全光纤激光相干测风系统62-94
• 3.1 关键器件介绍62-73
• 3.1.1 激光器62-67
• 3.1.2 保偏光纤环形器67-68
• 3.1.3 声光调制器68
• 3.1.4 可调焦望远镜68-70
• 3.1.5 平衡探测器70-71
• 3.1.6 信号放大器71-72
• 3.1.7 数据采集卡72-73
• 3.2 连续相干测风实验73-85
• 3.2.1 转盘测速实验74-77
• 3.2.2 水汽测速实验77-80
• 3.2.3 大气测速实验80-85
• 3.3 脉冲相干测风实验85-93
• 3.4 小结93-94
• 4 总结与展望94-95
• 4.1 总结94
• 4.2 展望94-95
• 5 致谢95-96
• 参考文献96-98

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 刘宏阳;张燕革;艾勇;代永红;陈晶;;用于相干光通信的平衡探测器的设计与实现[J];激光与光电子学进展;2014年07期

2 赵兴炳;李跃清;;风廓线雷达原理及其在高原地区探测结果初析[J];四川气象;2006年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 闫宝东;脉冲光纤相干测风激光雷达初步设计[D];中国海洋大学;2013年

2 王希涛;全光纤激光相干测速技术研究[D];中国海洋大学;2011年

，

本文编号：520661