SPARCLE的設計與應用

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(xué)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(shù)的最新發(fā)展。本文討論了其基本原理和其中激光系統、超外差、掃描和望遠系統的設計,關(guān)鍵詞:激光雷達;大氣測量;激光應用中圖分類(lèi)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(dòng)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(shí)施的 SPARCLE( space readiness coherent lidar experiment)項目就是CAT技術(shù)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(fēng)的直接測量。這種測量將比目前任何其它空間觀(guān)測都更精密和準確,它將給出效果更好的數字化氣象預報模型這種激光雷達被設計成兩個(gè)外形如桶狀的結構圖 I SPARCLE激光雷達外形(參見(jiàn)圖1)。其中光學(xué)桶裝有激光雷達的掃描和望遠Fig 1 Appearance of SPARCLE lidar系統,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。這種激光雷達的基本原理是激光器2幾項主要技術(shù)發(fā)射脈沖激光,激光被大氣中的運動(dòng)粒子反射后產(chǎn)生2.1中國煤化工激光波長(cháng)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(shù)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(gè)反射勒漂移,得到大氣中粒子的運動(dòng)矢量鏡,PZT晶體和Q開(kāi)關(guān)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(cháng)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(cháng)波長(cháng)是在2045~2070nm的范圍內可調,帶寬小于變化為0.025nm/C。為了保證輸出激光波長(cháng)的穩2nm,連續輸岀功率是2~5W,脈沖輸岀能量是100定,CAT激光晶體用了熱電致冷技術(shù),其溫度控制在mJ。其特點(diǎn)是對人眼安全,工作波長(cháng)可調且穩定,光0.01C的量級束質(zhì)量好。2.2超外差探測技術(shù)用于接收反射激光的是波長(cháng)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(xiàn)性系數等參量探測器工作面積的選擇也是重要的。由望遠系統crystal接收的返回光束在探測器上形成一個(gè)Airy斑,零級光環(huán)與本振激光相匹配非常關(guān)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(guò)大氣反射和望遠系統到達探測器時(shí)的波前差與本振激光的波前質(zhì)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Fig 2 Schematic of Tm, Ho: YLF laser對于這類(lèi)激光雷達系統,探測距離和分辨能力最終是由系統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(cháng)由接收用的掃描和望遠系統,其光學(xué)性能對于整個(gè)激光大氣中粒子或氣溶膠產(chǎn)生的微小漂移,所以發(fā)射激光雷達系統也是至關(guān)重要的。 SPACLE激光雷達設計的光譜質(zhì)量是至關(guān)重要的。為此采用 Injection Seed成發(fā)射和接收使用同一個(gè)望遠系統。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(shù)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(zhì)量的方法。所統:,其原理結構見(jiàn)圖4。其特點(diǎn)是使用方便,掃描以,實(shí)際上在 SPACLE激光雷達中采用了兩個(gè)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(gè)是輸出用的單頻調Q脈沖環(huán)其最重要的性能參數,系統引起的波前差,在工作波形激光器(圖3),另一個(gè)是注入激光器。注入激光器長(cháng)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=系統中的兩個(gè)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(xué)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(chē)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域或局部實(shí)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(jìn)行測量,在 SPARCLE之前m波長(cháng)的透射和對可見(jiàn)光的反射有多層鍍膜。對其還沒(méi)有過(guò)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(gè)大氣層的高精度實(shí)時(shí)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(jìn)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(xué)性能監測和分析。外,就是它的重量問(wèn)題,如果重量太大,就會(huì )要求其驅參考文獻:動(dòng)電機功率大,隨之就會(huì )帶來(lái)絕熱問(wèn)題等。另外,窗口和掃描鏡都要做到對2m波長(cháng)的激光很好進(jìn)行透「1]htp:/wwsl.msc,nasa·gow/ newhope/head射,對其它波長(cháng)的太陽(yáng)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(fēng)速的測量,都是由放于當地的儀器或探測氣球來(lái)實(shí)現的。風(fēng)速的測量也可以用在衛星作者簡(jiǎn)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(lái)推算。傳統的實(shí)地測量或施放探測學(xué)作訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者,從事光電技術(shù)方面的研究發(fā)表過(guò)學(xué)術(shù)論文多篇