应用于激光相干探测技术的光学系统分析

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1、第一章绪论第一章绪论1．1本项目研究的意义对大气中风速和风场分布的精确测量一直是世界各国的重要研究课题：激光测风雷达以其工作频率高、波束窄、分辨率高、非接触测量等一系列优异性能和特点，在高精度风场测量方面具有明显的技术优势，成为理想的遥感风场测量仪器，不仅被广泛应用于气象观测、航空航天、特需气象服务等民用部门，在军事中区域气象监测、飞行器攻击目标时的气象修正等方面也有重要的应用。激光测风雷达分为相干和非相干(直接探测)两种体制，与直接探测相比，相干激光测风雷达在探测灵敏度等方面具有明显的技术优势。相干激光测风雷达通过测量大气中

2、随风场运动的气溶胶的后向散射来反演大气风场，在诸如边界层等含有大量气溶胶的大气区域可以获得非常精确的风场数据。111依托激光光频相干探测技术的相干激光测风雷达在作用距离、测量精度等方面具有显著的技术优势，它通过测量大气中的风速和风向，可以精确计算出雷达作用空域的风力分布情况，从而探测大气的云层运动、风切变、湍流和飞行器的尾流漩涡等现象，这些测量结果具有重要的军用和民用价值。基于光频相干探测技术的激光雷达可以探测大气密度、成分、气溶胶分布、云高、云中消光系数等大气数据和地球科学资料，在大气污染监测、战场化学战剂遥测等领域具有广阔

3、的应用。相干激光雷达还可以监测海洋及河流的表面流速，在环境科学、地球科学、空间遥感遥测及海洋资源调查等领域也具有重大的科学意义和广阔的应用前景。星载光频相干多普勒激光雷达与目前卫星采用的红外或可见光被动遥感技术相互补充，对军事气象的研究将发挥重要作用。激光雷达在反隐身飞机方面的优势是其它长波雷达无法相比的。现有的和在研的隐身飞机，主要针对的是工作频率在0．2---29GHz的微波雷达。激光探测系统所采用的载波频率远远超出隐身飞机达到隐身效果的频率带宽，飞机的隐身性能将大大降低甚至失效。相干多普勒激光测风雷达还可通过探测飞机在宅

4、中飞行时造成的风场突变，探测隐身飞行器尾焰气流、飞行引起的空气涡流和飞过后留下的涡流痕迹，实现反隐身目的。国外试验表明，相干探测激光雷达系统可以探测到32kin处的大气运动，虽然距离战术应用还存在一些问题，但激光甫达有望用于对付隐身飞机。激光雷达在对抗隐身飞机方面的优势是其它长波雷达无法相比的。美国在反隐身技术上也在大力发展激光雷达，为了探测从空问发射的导弹，美国在弹道导弹防御计划中试验过激光雷达。多年来，美国、欧盟、同本等发达国家和地区积极发展相干激光测风雷达，2激光相干探测技术应用研究建立了完整的激光测风雷达理论体系，技术

5、研究和工程实践也取得丰硕成果，不同体制、不同波段的多型激光测风雷达已投入使用，并且逐步加装在地面、飞机、卫星等多种平台，在气象预报、灾害预警、飞行安全等方面发挥着越来越重要的作用。本文以激光多普勒测风为典型应用目标，研究利用激光相干探测技术作为支撑的相干探测系统的体制、工作原理和技术实施方案，突破关键技术，研制原理样机，为后续工程样机和装备的研制奠定技术基础。1．2国内外发展概况相干激光测风雷达的研究始于上世纪70年代，C02激光发射机在相干激光测风雷达发展中占据重要的地位，初始阶段采用10．6pmC02稳频激光技术的外差激光

6、雷达；上世纪八十年代，曾发展1．06pm(YAG)波段脉冲相干激光雷达；上世纪九十年代以来，以DPSSL(DiodePumppeASolidStateLaser，半导体二极管泵浦固体激光器)为基础的全固体2pm相干激光雷达迅速发展起来并占据主导地位；近年来，随着1．5pm超窄线宽激光技术的发展，采用该波段的相干激光雷达试验样机已研制出，并完成了一系列试验。上世纪末期以来，国外的相干多普勒激光探测技术已经成熟，激光测风雷达已经开始装备部队，形成战斗力。美国、德国、英国、俄罗斯、法国、丹麦等国相继研制出相干体制的激光测风雷达。19

7、76年美国公开了麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnologyMIT)林肯实验室的“火池”(Firepond)C02相干激光雷达的实验结果，它采用脉冲多普勒体制，用于远距离精密跟踪，对卫星的作用距离达1000km。它证明了激光雷达的远距离测量和跟踪的能力。20世纪80年代中期，为配合“星球大战"计划，“火池”激光雷达进行了多处改进，几项关键技术——高精度高刚度小惯量支架技术、高精度快速响应伺服控制技术、自适应光学补偿技术等均得到解决，并于20世纪90年代初对800km远的模拟弹进行了成功的跟

8、踪识别试验。1976年，美国NASA和国家海洋大气局(NationalOceanicandAtmosphericAdministration，NOAA)委托美国无线电公司(RadioofAmericaCo．)和帕会·艾尔默(Perkin．ElmerCo．)研制测量全球对流层风