ＡＲｎＲ≈Ａ２
式中：ＡＲ为激光雷达接收系统有效接收面积；ｎ。为光学系统入瞳处对应的光束立体角。在小角度近似情况 下，ｎ。可由其对应的平面半角乱表示
ｎＲ一丌“２ （１６）
取光学天线系统最佳光束截断比ｅ一１．７５［１ ７｜，代入到等式（１５）～（１６）得
万方数据
强
激
光
与
粒
子
束
Ｍ≈掣
７ｃ上Ｊ
（１７）
光学天线瞬时视场角应与接收视场角匹配即２“一２∞，单模光纤纤芯直径ｄ一般１０ ｐｍ左右，从而得出接
ｍｍ。
光学系统与光环路器配合工作，既是信号发射机也是信号接收机，为避免光电信号出现大的随机起伏，接 收孔径内激光斑纹平均颗粒数应大于４跚３，保留一定裕量，取接收口径内斑纹颗粒数为１０，有
品≤凳 １０飞兀口
则有激光束远场发散角ｅ≤ｏ．１
（１８） ”～
ｍｒａｄ。如图６所示，根据几何关系，有｛≤ｏ．１
ｍｒａｄ。通常情况下，单
第２７卷第９期 ２０１５年９月
强
ＨＩＧＨ
激
ＰＯＷＥＲ
光
与
粒
子
束
ＢＥＡＭＳ
Ｖ０１．２７，Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．，２０１５
ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ
非扫描测风激光雷达光学系统设计”
彭章贤１’２， 刘 博１， 岳永坚１
（１．中国科学院光电技术研究所，成都６１０２０９；２．中国科学院大学，北京１０００４９） 摘要：
光学系统是测风激光雷达小型化的关键，光学设计的质量直接影响系统的整机性能。提出了一
种全光纤多路收发非扫描多普勒测风激光雷达系统方案，对其工作原理作了简要介绍；在对激光雷达系统信噪 比开展理论分析的基础上，提出了光学天线的视场、孔径、焦距等设计参数，并利用光学设计软件对光学天线进 行了设计和仿真实验。该系统工作波长为１０６４ ｎｍ，设计结果表明，光学天线相对口径为１：４．２８，全视场角为
伴随着激光技术和光纤技术的迅猛发展，相干多普勒测风激光雷达（简称激光雷达系统）向着高可靠度、轻 小型化、多功能、长使用寿命等目标稳步前进：Ｍ．Ｆ．Ａｒｅｎｄ等提出了基于光纤的人眼安全相干多普勒测风雷达 系统［１１；ｃ．Ｆ．Ａｂａｒｉ等提出了全光纤境像抑制零差法相干多普勒测风雷达系统［２３；ｗＩＮＤＡＲ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ公司、 ＺｅｐｈＩＲ“ｄａｒ公司和Ｌｅｏｓｐｈｅｒｅ公司分别推出了ＷｉｎｄＥｙｅ、ＺｅｐｈＩＲ和Ｗｉｎｄｃｕｂｅ全光纤相干多普勒测风雷 达［３｛］。激光雷达系统中，光纤、光纤激光器、环路器等光纤器件的引入使系统在结构布局上灵活多变，外形尺 寸减小，系统具有抗冲击、抗干扰、寿命长等优点［６］。目前，相干多普勒测风激光雷达风场三维信息探测主要有 两种探测模式：凝视探测模式及扫描模式［７］。凝视探测模式需要多套信号收发系统，大口径收发系统探测时， 体积庞大∞］；扫描模式测量三维风场时，引入扫描结构不利于激光雷达系统的轻小型化［９］且各个方向的扫描均 需要一定的时间，在风场变化较快的情况下，不能完成实时探测。本文提出了一种多路收发并行探测的全光纤 相干多普勒测风激光雷达光学系统，该系统利用不同视场点上的多根光纤耦合，能同时收发多路探测光束，对 空间风场进行实时探测，有利于相干激光雷达系统的轻小型化，具有诱人的应用前景。
基金项目：国防重大专项基金项目 作者简介：彭章贤（１９９０一），男，硕士研究生，主要从事激光雷达光学系统方面的研究；ｐｅｎｇｚｈａｎｇ）【ｉａｎ８２７＠１２６．ｃｏｍ。
通信作者：刘
博（１９７９一），男，博士，研究员，主要从事激光雷达大气探测、主动光学遥感方面的研究．ｂ。ｌｉｕ＠ｉｏｅ．ａｃ．ｃｎ。
万方数据
（２）
ｃｈａＩｍｅｌ８ Ｆｉｇ．１
因此，不借助扫描结构单站式测风激光雷达不能获得风矢信 息。此局限性要求单站式凝视探测激光雷达具备至少三路探测通 如图１所示，约定正东方向为零度方位角，逆时针方向为角度
Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐＩｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ
ｓｃａｎｎｅｒｌｅｓｓ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ
模光纤的纤芯直径一般为１０“ｍ左右，则可以求得光学系统后工作距一Ｚ，≥１００
ｍｍ。
－－～－一Ｌ
—Ｅ《三三
＿＿＿＿一ｒ
一，
Ｆｉｇ．５
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｒ
１
多路收发风场信息探测模型及原理
基于多普勒频移原理，激光雷达系统发射的激光束与运动气
溶胶粒子后向散射光的频率差可表示为［１叩
△ｖ一善（￡！旦一１）
＾
Ｃ——Ｖ。Ｓ
（１）
式中：ｃ为光速；Ａ为激光波长；ｌ，为风速；ｉ，ｓ分别表示入射光、散射 光方向上的单位矢量。由于风速远小于光速，且ｆ一一ｓ，则
川一半
道，同时对风场不同区域探测才能获得风场三维信息。
２０。×２２．５。，总长为２７７ ｍｍ，后截距１２７．２８ ｍｍ，有效焦距３００ ｍｍ，口径７０ ｍｍ，各视场光纤耦合效率均在
６５％以上，满足设计指标要求。 关键词：光学设计；相干系统；光纤耦合；凝视探测；测风激光雷达
中图分类号：
０４３６
文献标志码：
Ａ
ｄｏｉ：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１５２７．０９１０１０
珥一±掣。式中正负号与气溶胶粒子相对激光雷达系统的运动方向有关，两者相向运动取正号，反之取负
号‘１１｜。
实际风速在直角坐标系中可表示为：１，＝（让，％，％），其在四个光束方向上的投影分别为口。，砌，刁站和口以， 根据几何关系联立方程
ｓｉｎ口 ０
ｃｏｓ臼 ｃｏｓ护 ｃｏｓ臼
１
ｓｉｎ伊ｃｏｓ口
一ｓｉｎ口ｓｉｎａ 一ｓｉｎ臼ｓｉｎ侣
丫 ｒ◆…一◆
暑ｆ ｉ●；
：
（１０）
：
ｉ
式中：Ｈ＝２・９１４ ３８３，志一２７【Ａ。ｃ：（ｚ）为大气折射率结构参数，Ｖａｌ—
ｉ一一—◆一一ｊ
ｔｙｐｅ
Ｄ。ｔｅｃｔｉｎｇｂｅ。ｍ。ｃｈ。ｍａｔｉ。。ｆ。ｉ。９１ｅ
ｓｃａｎｎｅｒｌｅｓｓ ｗｉｎｄ １ｉｄａｒ
９４（兰）２（１０—ｓｚ）１０ｅ需ｊ＋２．７×１０一１６ｅ需６＋Ａｅ意 ｚ／
一＿
＿一———————————————————————————————————————————————————————一
强
激
光
与
粒
子
束
向径向风速的探测，其原理示意图如图２所示。
【ｌｃｔｃｃｔｌｎｇ ｃｈ Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔａｔｉｏｎ
ｔｙｐｅ
ａｎｎｃｌ
ｓｃａｎｎｅｒｌｅｓｓ ｗｉｎｄ ｌｉｄａｒ
图２单站式非扫描测风激光雷达探测通道原理示意图
激光器发出的激光，轴向光强可近似的认为服从高斯分布，光波电磁场［６］
Ｅ（￡）一何ｅｘｐ［一ｊ（２丌“＋乒）］
（３）
式中：Ｐ为放大后的激光功率；ｖ为激光的频率；壬为定义激光初始相位。光波经过光纤环路器后分成两路：信 号光Ｓ（￡）、参考光Ｒ。（￡）。参考光Ｒ。（￡）由光纤端面后向反射所产生，可以在光纤端面镀膜或者修切光纤端面
鬈：嚣蒙爹委羹嚣篙銮嚣黧黑篙 接收信号撇拥干长郎。掣粼１０嵫姘１５３
ｓ。（Ｒ）一［娥２ ｃ：（ｚ）（１一吾）５邝ｄｚ］－３归 Ａ
咕 ｌｅｙ给出了其估算公式‘１ ｃ：（ｚ）一ｏ．００５
６｜
Ｒ刚一甑驾铲［１＋（・一鼽蒜）２＋（淼）２］。１
：丫
ｉ Ｌ
Ｆｉｇ．３
（９）
２０
式中：Ｅ。为激光脉冲能量；叩表示激光雷达系统效率；ｐ（Ｒ）为气溶胶在 径；＾普朗克常数；Ｂ为探测器带宽；Ｆ表示高斯光束波前曲率半径。
（６）
Ｒ。（￡）一ｆ￣／及Ｔ二ｉ河ｅｘｐ｛一ｊ［２丁ｃ（ｖ＋△ｖ）ｆ＋ｊ６＋９。］｝
（５）
式中：Ｉ，，，：，ｊ。分别表示回波信号、参考光和外差信号在光敏面上的强度分布。滤除ｆ，，ｆ。，直流分量获得包含 频移信息的Ｊ。，即
ｊ３＝２瓜ｃｏｓ（２７ｃ△ｙ＋△９）
（７）
式中：回波信号与参考光相位差△９＝Ｐ。一９。。若光电探测器满足平方律特性且表面量子效率均匀分布，外差 探测光电流ｉ（￡）。Ｃ Ｊ。。通过对探测器输出的光电流进行处理，得到多普勒频移△ｖ，则径向风速：
图１非扫描型风场三维信息测量原理图
的正方向。图中口为天顶角，ｄ，ｐ表示方位角。激光雷达系统分别以（ｏ。，Ｏ。），（口，Ｏ。），（目，ａ）和（臼，卢）四个方 向向空间风场发射激光光束，各方向对应图中所标出的①、②、③、④四个探测通道。各探测通道完成对特定方
＊收稿日期：２０１５一０５—２７；
修订日期：２０１５一０７—２２
６ ｋｍ＞Ｖ。
ｊ
，’一。
给定激光脉冲能量Ｅ０—１００ ｍＪ，激光雷达系统效率 叩＝ｏ．５，Ａ一１．０６４弘ｍ，普朗克常数矗一６．６２６×１０＿３４ Ｊ・ｓ，探测 器带宽Ｂ＝１００ ＭＨｚ，在良好能见度情况下光学天线调焦到无 穷远（Ｆ一。。）时，根据等式（９）可以得出在确定探测距离时信 噪比随光学天线口径变化曲线，如图４所示。一定激光脉冲发 射能量时，ＲｓＮ随探测距离增大而下降且在某一接收口径值时达 到最大值。综合考虑探测距离在３～４．５ ｋｍ范围内系统ＲｓＮ变
（４）
式中：ｒ为光学系统透过率；△ｖ为多普勒频移；妒，为第ｉ个气溶胶粒子散射引入的相位因子。简化推导过程，
参考光Ｒ。（￡）一何ｅｘｐ［一ｊ（２丌惦＋乒＋伽）］，枷，驴。分别为参考光和回波信号传播到探测器光敏面时的
相位值。回波信号与参考光在探测器光敏面上叠加，光强分布可表示为
ｆ＝Ｒ。（ｆ）Ｒ：（￡）＋Ｒ。（￡）Ｒ：（ｆ）＋２ Ｒｅ［Ｒ。（￡）Ｒ０（≠）］一Ｊｌ＋工２＋Ｊ３
万方数据
彭蕈贤等：非扫描测风激光雷达光学系统设计
（１０。，１３５。），（１０。，２２５。），（１２．５。，０。），光学系统整个视场覆盖范围为２０。×２２．５。，如图３所示。 相干激光雷达系统中，信噪比（ＲｓＮ）是评价激光雷达性能的重要指标参数。信噪比越高，信号提取越容易， 相应的在探测距离内探测精度也越高。外差探测激光雷达系统信噪比与激光雷达光学天线的口径、外差探测 效率、湍流影响、光束截断和激光发射方式等因素有关。假设未截断高斯发射光束与未截断高斯本振光束偏振 态匹配、光电探测器具有均匀量子效率、不考虑光学像差及几何对准情况下，散粒噪声受限的短周期脉冲光纤 相干测风激光雷达，可以由式（９）估算其信噪比［”。１４３