SPARCLE的设计与应用

光电子·激光第11卷第3期2000年6月JOURNAL OF OPTOELECTRONICS LASER Vol, 11 No. 3 Jun, 2000文章编号:1005-0086(200003-0295-03SPARCLE的设计与应用郭晓维,YeLi(石家庄机械工程学院,石家庄050003)(University of Alabama in Huntsville, USA)摘要:用激光雷达在太空中对地球洁净大气探测,是激光雷达技术的最新发展。本文讨论了其基本原理和其中激光系统、超外差、扫描和望远系统的设计,关键词:激光雷达;大气测量;激光应用中图分类号:TN249:TN247文献标识码: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激光雷达用于大气探测的最新发展是“洁净大气Containning扰动的探测”(CAT)。美国国家航空和宇宙航行局the in artial navigationstem(NASA)目前正在实施的 SPARCLE( space readiness coherent lidar experiment)项目就是CAT技术的研究与应用。该项目计划在2001年发射的航天飞机上设置这种激光雷达,用于在外层空间对对流层风的直接测量。这种测量将比目前任何其它空间观测都更精密和准确,它将给出效果更好的数字化气象预报模型这种激光雷达被设计成两个外形如桶状的结构图 I SPARCLE激光雷达外形(参见图1)。其中光学桶装有激光雷达的扫描和望远Fig 1 Appearance of SPARCLE lidar系统,相干接收器件等;电子桶装有全部电子器件和惯性导航系统。这种激光雷达的基本原理是激光器2几项主要技术发射脉冲激光,激光被大气中的运动粒子反射后产生2.1中国煤化工激光波长的多普勒漂移,接收这种反射激光,并与另CNA儿雷平不是Tm,Hn:YLF四能级参考激光产生干涉,用外差探测技术测得这种多普单频脉冲环形固体激光器(图2)。激光器由4个反射勒漂移,得到大气中粒子的运动矢量镜,PZT晶体和Q开关构成。其泵浦源是光纤耦合的①收稿日期:199909-296·光电子·激光2000年第11卷半导体激光器(波长795mm,功率15W)。激光工作Tm,H:YLF激光器由于室温变化引起的波长波长是在2045~2070nm的范围内可调,带宽小于变化为0.025nm/C。为了保证输出激光波长的稳2nm,连续输岀功率是2~5W,脉冲输岀能量是100定,CAT激光晶体用了热电致冷技术,其温度控制在mJ。其特点是对人眼安全,工作波长可调且稳定,光0.01C的量级束质量好。2.2超外差探测技术用于接收反射激光的是波长2m的 gaas半示<导体探测器。在探测器的性能选择上,主要考虑其直流和脉冲量子效率,阻容特性,伏安特性和非线性系数等参量探测器工作面积的选择也是重要的。由望远系统crystal接收的返回光束在探测器上形成一个Airy斑,零级光环与本振激光相匹配非常关键,因为第1级衍射光环有180的相位差,引出外差信号的相消干涉。基于Fiber-coupled此探測器的工作面积不应大于零级Airy斑。此外,探测激光在经过大气反射和望远系统到达探测器时的波前差与本振激光的波前质量,限制了外差探测所图2单频环形Tm,H:YLF能达到的信噪比。激光器原理结构2.3扫描和望远系统Fig 2 Schematic of Tm, Ho: YLF laser对于这类激光雷达系统,探测距离和分辨能力最终是由系统接收的波前差所限制的。所以用于发射和由于CAT激光雷达测量的是反射激光波长由接收用的扫描和望远系统,其光学性能对于整个激光大气中粒子或气溶胶产生的微小漂移,所以发射激光雷达系统也是至关重要的。 SPACLE激光雷达设计的光谱质量是至关重要的。为此采用 Injection Seed成发射和接收使用同一个望远系统。它是放大倍率为ng(注入式触发)技木。这种注入式触发激光技术被25,孔径为25cm的 Cassegrain双抛物面离轴望远系证明是一种有效提高输出激光光谱质量的方法。所统:,其原理结构见图4。其特点是使用方便,扫描以,实际上在 SPACLE激光雷达中采用了两个Tm,能力强,锥形扫描角度为30°,并且重量轻,成本低H:YLF激光器:一个是输出用的单频调Q脉冲环其最重要的性能参数,系统引起的波前差,在工作波形激光器(图3),另一个是注入激光器。注入激光器长2m处不大于1/30λ的均方根差,并且偏振纯度的作用一是触发输出激光器产生单频脉冲,二是为相高,后向散射低干接收产生本振激光Fused silicaSilicon Teleswedge primaryFiber endCrystal enclosureHR on PLTTelescope Alignment AlignmentAO中国煤化工原理增构m2CNMHG==mm=系统中的两个反射镜采用与支撑结构相同的合an splitter金铝加工而成,其表面光洁度精度在150A量级。加图3激光雷达光学原理结构工工艺是采用计算机控制的金刚石刀切削,加工精度Fig 3 Optical system schematic of SPARCLE可达250ARMS量级。在完成最后的车削前,涂复上第3期郭晓维等: SPARCLE的设计与应用297·层镍,然后抛光,镀金。对2μm的反射率可达气球的测量,都只能是在很小的区域或局部实测。可98.5%。32cm直径的窗口是石英玻璃材料的,针对2在太空中对洁净大气进行测量,在 SPARCLE之前m波长的透射和对可见光的反射有多层镀膜。对其还没有过这种新的激光雷达应用后,是大面积甚至表面精度要求与反射镜基本相同,但对它的抗压,抗是整个大气层的高精度实时测量。它的发展不仅是应辐射和温度性能考虑得较多。楔形旋转扫描镜采用旳用于准确的天气预测和预报,而且可以进行大气环境是单晶硅材料。对扫描镜的主要设计除了光学性能监测和分析。外,就是它的重量问题,如果重量太大,就会要求其驱参考文献:动电机功率大,随之就会带来绝热问题等。另外,窗口和扫描镜都要做到对2m波长的激光很好进行透「1]htp:/wwsl.msc,nasa·gow/ newhope/head射,对其它波长的太阳辐射能很好绝缘。lines/essd 97-1.htm.3发展和应用前景中国煤化工:EEJ.Q.E.1993.29CNMHG通常的大气和风速的测量,都是由放于当地的仪器或探测气球来实现的。风速的测量也可以用在卫星作者简介郭晓维男,副教授,1998年9月至1999年8月在美国阿拉巴马大上测量云的速度来推算。传统的实地测量或施放探测学作访问学者,从事光电技术方面的研究发表过学术论文多篇