MachZehnder干涉仪测风激光雷达系统设计与实验研究

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1、分类号UDC密级学号1108040249硕士学位论文Mach-Zehnder干涉仪测风激光雷达系统设计与实验研究邢美丽学科门类：工学学科名称：测试计量技术及仪器指导教师：华灯鑫教授汪丽副教授申请日期：2014年3月摘要论文题目：Mach-Zehnder干涉仪测风激光雷达系统设计与实验研究学科名称：测试计量技术及仪器研究生：邢美丽签名：指导教师：华灯鑫教授签名：汪丽副教授签名：摘要大气风场的探测对工农业生产、航空航天、气候研究等应用领域都有非常重要的作用。多普勒测风激光雷达作为主动探测大气风场的重

2、要手段，具有高时空分辨率的特点，主要包括相干探测和直接探测。目前直接探测技术是国内外研究的热点。论文选用Mach-Zehnder干涉仪作为测风激光雷达系统的鉴频器，分别对能量探测和条纹探测两种探测方式下的Mach-Zehnder干涉仪测风激光雷达系统风速探测原理进行了分析，优化基于Mach-Zehnder干涉仪的测风激光雷达系统。重点分析了激光发射系统、鉴频系统以及特定风速误差范围内允许的Mach-Zehnder干涉仪参数误差容限。根据标准大气模型，对所设计Mach-Zehnder干涉仪测风激光

3、雷达系统灵敏度、信噪比、风速误差进行仿真分析，为实验系统的搭建做好理论基础。针对本课题采用的Mach-Zehnder干涉仪光路分布，提出了一种便于调节、有效的Mach-Zehnder干涉仪调节方法。通过能量探测和条纹探测两种方式进行鉴频验证。能量探测方式下，对多普勒频移量以及风速进行了反演分析；条纹探测采用工业照相机对干涉条纹进行拍摄，并对拍摄到的图像进行图像数值分析；两种方法均可证明所搭建的鉴频系统可以用于测风激光雷达系统。针对实验中搭建的测风激光雷达系统，采用模拟风速系统产生线速度（最大线速

4、度为10.47m/s）引起多普勒频移，设计了一套风速校正系统，对测风系统的灵敏度进行校正，完成模拟大气风场系统的设计及构建，满足风场探测要求。关键词：多普勒频移，Mach-Zehnder干涉仪，激光雷达，风场探测本研究工作得到国家自然科学青年基金(NO.61205189)与教育部博士点新教师类基金(NO.20106118120009)的资助。I西安理工大学硕士学位论文IIAbstractTitle：DESIGNANDEXPERIMENTALSTUDYOFWINDLIDARSYSTEMBASEDO

5、NMACH-ZEHNDERINTERFEROMETERMajor：Technology&InstrumentationofTestingandMeasuringName：MeiliXINGSignature:Supervisor：Prof.DengxinHUASignature:AssociateProf.LiWANGSignature:AbstractDetectionofatmosphericwindfieldplaysanimportantroleinmanyapplicationdoma

6、ins,suchasindustrialandagriculturalproduction,aeronauticsandastronautics,atmosphericclimatologyandsoon.Dopplerwindlidar,oneofactivetools,canobtainatmosphericwindfieldwithhighspatialandtemporalresolution.Itmainlyincludescoherentdetectionanddirectdetec

7、tion.Currently,directdetectiontechnologyisahotresearchtopic.Inthisthesis,Mach-Zehnderinterferometerwaschosenasaspectralanalyzerforthewindlidarsystem.WehavedesignedtheMach-Zehnderinterferometerwindlidarsystemonthebasisofthestudyofdetectionprinciplewit

8、hedgetechniqueandfringeimagingtechnique,respectively.Laseremissionsystem,discriminatorandparametererrortolerancewithinthegivenwindspeederrorweremainlydiscussed.Basedonthestandardatmosphericmodel,thesystemsensitivity,signal-to-noiseratio,andwindveloci