光電子·激光第11卷第3期2000年6月JOURNAL OF OPTOELECTRONICS LASER Vol, 11 No. 3 Jun, 2000文章編號:1005-0086(200003-0295-03SPARCLE的設計與應用郭曉維,YeLi(石家莊機械工程學院,石家莊050003)(University of Alabama in Huntsville, USA)摘要:用激光雷達在太空中對地球潔凈大氣探測,是激光雷達技術的最新發(fā)展。本文討論了其基本原理和其中激光系統(tǒng)、超外差、掃描和望遠系統(tǒng)的設計,關鍵詞:激光雷達;大氣測量;激光應用中圖分類號:TN249:TN247文獻標識碼:ADesign and Application of SPARCLEG UO Xiao-wei. Ye Li(Shijiazhuang Mechanical Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)(University of Alabama in Hnutsville, USA)Abstract: It is the ne west developing lidar technology that is based on lidar to measure the wind velocityof the atmosphere. This paper describes the optical principle of the lidar and several technical designsKey words: lidar; atmosphere measure; laser application1引言the lidar transceiverope, scan motor激光雷達用于大氣探測的最新發(fā)展是“潔凈大氣Containning擾動的探測”(CAT)。美國國家航空和宇宙航行局the in artial navigationstem(NASA)目前正在實施的 SPARCLE( space readiness coherent lidar experiment)項目就是CAT技術的研究與應用。該項目計劃在2001年發(fā)射的航天飛機上設置這種激光雷達,用于在外層空間對對流層風的直接測量。這種測量將比目前任何其它空間觀測都更精密和準確,它將給出效果更好的數(shù)字化氣象預報模型這種激光雷達被設計成兩個外形如桶狀的結構圖 I SPARCLE激光雷達外形(參見圖1)。其中光學桶裝有激光雷達的掃描和望遠Fig 1 Appearance of SPARCLE lidar系統(tǒng),相干接收器件等;電子桶裝有全部電子器件和慣性導航系統(tǒng)。這種激光雷達的基本原理是激光器2幾項主要技術發(fā)射脈沖激光,激光被大氣中的運動粒子反射后產(chǎn)生2.1中國煤化工激光波長的多普勒漂移,接收這種反射激光,并與另CNA兒雷平不是Tm,Hn:YLF四能級參考激光產(chǎn)生干涉,用外差探測技術測得這種多普單頻脈沖環(huán)形固體激光器(圖2)。激光器由4個反射勒漂移,得到大氣中粒子的運動矢量鏡,PZT晶體和Q開關構成。其泵浦源是光纖耦合的①收稿日期:199909-296·光電子·激光2000年第11卷半導體激光器(波長795mm,功率15W)。激光工作Tm,H:YLF激光器由于室溫變化引起的波長波長是在2045~2070nm的范圍內(nèi)可調,帶寬小于變化為0.025nm/C。為了保證輸出激光波長的穩(wěn)2nm,連續(xù)輸岀功率是2~5W,脈沖輸岀能量是100定,CAT激光晶體用了熱電致冷技術,其溫度控制在mJ。其特點是對人眼安全,工作波長可調且穩(wěn)定,光0.01C的量級束質量好。2.2超外差探測技術用于接收反射激光的是波長2m的 gaas半示<導體探測器。在探測器的性能選擇上,主要考慮其直流和脈沖量子效率,阻容特性,伏安特性和非線性系數(shù)等參量探測器工作面積的選擇也是重要的。由望遠系統(tǒng)crystal接收的返回光束在探測器上形成一個Airy斑,零級光環(huán)與本振激光相匹配非常關鍵,因為第1級衍射光環(huán)有180的相位差,引出外差信號的相消干涉?；贔iber-coupled此探測器的工作面積不應大于零級Airy斑。此外,探測激光在經(jīng)過大氣反射和望遠系統(tǒng)到達探測器時的波前差與本振激光的波前質量,限制了外差探測所圖2單頻環(huán)形Tm,H:YLF能達到的信噪比。激光器原理結構2.3掃描和望遠系統(tǒng)Fig 2 Schematic of Tm, Ho: YLF laser對于這類激光雷達系統(tǒng),探測距離和分辨能力最終是由系統(tǒng)接收的波前差所限制的。所以用于發(fā)射和由于CAT激光雷達測量的是反射激光波長由接收用的掃描和望遠系統(tǒng),其光學性能對于整個激光大氣中粒子或氣溶膠產(chǎn)生的微小漂移,所以發(fā)射激光雷達系統(tǒng)也是至關重要的。 SPACLE激光雷達設計的光譜質量是至關重要的。為此采用 Injection Seed成發(fā)射和接收使用同一個望遠系統(tǒng)。它是放大倍率為ng(注入式觸發(fā))技木。這種注入式觸發(fā)激光技術被25,孔徑為25cm的 Cassegrain雙拋物面離軸望遠系證明是一種有效提高輸出激光光譜質量的方法。所統(tǒng):,其原理結構見圖4。其特點是使用方便,掃描以,實際上在 SPACLE激光雷達中采用了兩個Tm,能力強,錐形掃描角度為30°,并且重量輕,成本低H:YLF激光器:一個是輸出用的單頻調Q脈沖環(huán)其最重要的性能參數(shù),系統(tǒng)引起的波前差,在工作波形激光器(圖3),另一個是注入激光器。注入激光器長2m處不大于1/30λ的均方根差,并且偏振純度的作用一是觸發(fā)輸出激光器產(chǎn)生單頻脈沖,二是為相高,后向散射低干接收產(chǎn)生本振激光Fused silicaSilicon Teleswedge primaryFiber endCrystal enclosureHR on PLTTelescope Alignment AlignmentAO中國煤化工原理增構m2CNMHG==mm=系統(tǒng)中的兩個反射鏡采用與支撐結構相同的合an splitter金鋁加工而成,其表面光潔度精度在150A量級。加圖3激光雷達光學原理結構工工藝是采用計算機控制的金剛石刀切削,加工精度Fig 3 Optical system schematic of SPARCLE可達250ARMS量級。在完成最后的車削前,涂復上第3期郭曉維等: SPARCLE的設計與應用297·層鎳,然后拋光,鍍金。對2μm的反射率可達氣球的測量,都只能是在很小的區(qū)域或局部實測?？?8.5%。32cm直徑的窗口是石英玻璃材料的,針對2在太空中對潔凈大氣進行測量,在 SPARCLE之前m波長的透射和對可見光的反射有多層鍍膜。對其還沒有過這種新的激光雷達應用后,是大面積甚至表面精度要求與反射鏡基本相同,但對它的抗壓,抗是整個大氣層的高精度實時測量。它的發(fā)展不僅是應輻射和溫度性能考慮得較多。楔形旋轉掃描鏡采用旳用于準確的天氣預測和預報,而且可以進行大氣環(huán)境是單晶硅材料。對掃描鏡的主要設計除了光學性能監(jiān)測和分析。外,就是它的重量問題,如果重量太大,就會要求其驅參考文獻:動電機功率大,隨之就會帶來絕熱問題等。另外,窗口和掃描鏡都要做到對2m波長的激光很好進行透「1]htp:/wwsl.msc,nasa·gow/ newhope/head射,對其它波長的太陽輻射能很好絕緣。lines/essd 97-1.htm.3發(fā)展和應用前景中國煤化工:EEJ.Q.E.1993.29CNMHG通常的大氣和風速的測量,都是由放于當?shù)氐膬x器或探測氣球來實現(xiàn)的。風速的測量也可以用在衛(wèi)星作者簡介郭曉維男,副教授,1998年9月至1999年8月在美國阿拉巴馬大上測量云的速度來推算。傳統(tǒng)的實地測量或施放探測學作訪問學者,從事光電技術方面的研究發(fā)表過學術論文多篇