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激光风速仪在20 km海拔高度处工作,安装在飞艇浮空平台上。考虑到高空特殊的空间环境,散射光频率鉴别使用双通道腔长固定式F-P标准具,结构设计如图5所示,系统由激光器、收发望远镜、光电探测器和采集部分组成。
出射激光经过一级扩束后,通过第一个偏振分光棱镜(PBS)的反射光,经光路由超快探测器接收以作为激光器出射光零频校准检测信号。而透射光经过LCVR进行激光偏振态的光束调制后,再通过第二个PBS,相互正交方向的线偏振光先后被第二个PBS透过和反射进入λ/4波片,再变为圆偏振光,然后被扩束镜整形后发射到两个不同方向的大气中。
光子被大气中的氮气、水汽等分子相互作用后,产生后向散射的回波信号进入到接收望远镜,经λ/4波片后又变为线偏振光。由于回波信号光偏振方向发生了改变,两个相互正交方向的回波信号被第二个PBS先后反射、透射再进入同一接收光路,再经λ/4波片由线偏振光转为均匀的圆偏振光。然后经过窄带的干涉滤光片(IF)滤除部分天空背景光,接收信号光再被偏振分光棱镜按照50∶50比例分成两部分,分别经过F-P标准具的两个信号接收通道后到达聚焦透镜,通过单模光纤耦合将光信号送入光电探测器(PD),最后经光子计数卡采集,利用两个通道的不同光子强度探测宽谱信号的多普勒频移,最终得到接收光信号中含有的多普勒风速信息。
激光发射光束偏振态的可控调制是偏振方法实现不同方向径向风速测量的基础,液晶可变延迟器由填满液晶(LC)分子溶液的透明液晶盒构成,可用作半波片。液晶盒壁的两个平行面镀有透明导电膜,在未加电压和施加交流电压两种情况下,LC分子会根据所施电压改变默认排列方向。通常状况下,液晶延迟器在高驱动电压下比在低驱动电压下的响应更快,当LCVR在两种电压之间切换时,下降时间(从低电压到高电压)比上升时间(从高电压到低电压)更快,LCVR有效通光孔径为20 mm,响应时间可达到ms级别。因此,改变施加电压可以主动控制液晶可变延迟器的延迟,从而转换光束探测方向,相位连续可控的LCVR具有驱动电压低、无机械转动、响应快、体积小等优点。
所设计的系统采用电压驱动控制的LCVR、PBS和λ/4波片组合,共同组成光开光功能的光束转换设计方案,无需机械转动控制和同轴调节,使得整个光路更为简便高效,同时使用具有较高耦合效率的单模光纤,使其信号光子被探测器高效率接收,实现两个相互正交方向的径向风场探测。激光风速仪主要器件的选择参数见表1。
Device Parameter Value Laser Wavelength/nm 532 Repetition rate/kHz 50 Pulse energy/μJ 10 Divergence angle/mrad 1.5 Linewidth/MHz 400 Pulse time/ns 5 Expander Beam-expansion factor 100 Telescope Diameter/mm 100 Filter FWHM/nm 0.2 Etalon Peak transmission 0.77 Detector Quantum efficiency/@500 nm 45% Max count rate/MHz 10 Counting card Time resolution/ps 200 Input/channel 2 LCVR Diameter/mm 20 Transmission 93% Table 1. Key parameters of fiber laser velocimetry
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正如前文提及到,该系统的设计需求是尽可能准确地探测平流层飞艇的风场,而出射激光的频率稳定状态将会直接影响宽频信号多普勒频移的检测精度,以往传统的测风激光遥感系统的激光器都是采用单独的锁定通道来实现频率监测。
对于激光器而言,获得单一的、稳定频率的出射激光是多普勒激光风速仪正常运转的首要条件。系统中利用激光出射光和大气散射回波信号进入接收机的到达时间差和高分辨率的光子计数卡结合的办法,高精度地监测出射光频率。采用的制冷式单光子探测器,在500 nm处的量子效率为45%,最大计数率为10 MHz,在环境温度25.9°条件下的暗计数为30 cps,探测性能优异。同时使用了一款高性能多功能的光子计数卡,在高采样率下也能保持很高的精度,具有2路通道输入,时间分辨率可达200 ps,能够记录12.5 GHz的突发计数率。单脉冲激光的时间序列对于系统的信号接收非常重要,零多普勒频率校准的工作时序图如图6所示。图中来自于激光器的时钟SYNC TTL高电平被用于同步距离门的电子学信号,单光子探测器和光子计数卡通过可编程的距离门控TTL高电平信号进行触发工作,所有的时序操作都可以通过工业台式机实现控制。
在系统结构设计中,出射激光从第一个PBS经反射到达探测器的信号和经透射后从大气分子散射的回波信号有不一样的传输光路,系统设计的两者几何距离相差1.5 m,相应地信号到达单光子探测器的时间差为5 ns,由于光子计数卡的分辨率可以达到亚ns级,故零多普勒频率监测的设计思路是计数卡在极短的ns级时间内,能够采集到极少量的探测光子数,将二者的信号分开,从而确定出射激光的实时频率变化。
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如图5所示,文中系统是参考了相干光路收发合置的探测方式设计的光路,采用单模光纤与自由空间相结合的方式对光信号进行传输。由激光器产生的532 nm脉冲光波为线偏振光,经中继光学预扩束系统对准直后的脉冲光进行扩束、压缩发散角,然后光束经过偏振态可调控的LCVR。当不加电压时,LCVR可看作λ/2波片,光束变为振动方向在垂直方向的线偏振光,加电压时,光束为振动方向在水平方向的线偏振光。LCVR与PBS、λ/4波片组合成为一个光开关,光束是垂直于PBS入射面振动的光,被PBS全部反射;光束是平行于PBS入射面振动的光,被PBS全部透射;然后反射光和透射光先后进入不同的探测光路中,再经光路中的λ/4波片将线偏振光变为圆偏振光,最后经二级扩束望远镜整形后发射到大气中。
与大气分子相互作用产生的后向散射光被同一望远镜收集,此后向散射光已携带表征风速信息的多普勒频移。散射光再次通过λ/4波片,改变偏振态,此时的光波是线偏振光,平行于入射面振动的线偏振光被PBS全部透射,垂直于入射面振动的线偏振光被PBS全部反射。然后信号光依次通过λ/4波片、窄带IF以及F-P标准具的两个频率检测通道,再经光纤耦合进入单模光纤作为待测信号,最终光子信号到达接收探测器。
整体光路中,激光器出射激光的发散角为1.5 mrad,光束直径为1 mm,中继光学预扩束系统和二级扩束系统放大倍率都为10倍,收发望远镜的直径为100 mm,光学接收机所选择的单模光纤NA为0.1,芯径为10 μm,F-P标准具的有效通光孔径为10 mm。对于光学接收机结构,一个不可回避的因素是光束的发散角,通过F-P标准具接收光路的几何关系,经计算得到接收回波信号光入射到达F-P标准具的光束发散角为0.2 mrad。
相干光路的系统设计,无需调节同轴,具有结构简单、光路稳定性高等优点。同时由于太阳天空背景的影响,激光风速仪在白天工作的性能将会变差,而相干光路的设计结构决定了该系统无探测盲区,系统的接收视场角较小,以实现激光风速仪抑制强天空背景光,提高信号的接收效率,从而提升风场探测性能的目的。
Design and analysis of laser wind velocimetry for stratospheric airships
doi: 10.3788/IRLA20220642
- Received Date: 2022-09-08
- Rev Recd Date: 2022-11-01
- Publish Date: 2023-05-25
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Key words:
- stratospheric airships /
- laser wind velocimetry /
- Fabry-Perot etalon /
- liquid crystal variable retarder
Abstract: