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多普勒分辨率公式
多普勒分辨率（Doppler Resolution）是一个物理概念，通常用于描述雷达或声纳系统中，对于不同速度目标的分辨能力。
在雷达系统中，多普勒分辨率是指雷达能够区分具有不同径向速度目标的能力。
这个参数对于雷达的性能至关重要，因为它决定了雷达在复杂环境中识别和跟踪目标的能力。
多普勒分辨率的计算通常涉及到雷达系统的参数，如发射信号的带宽、雷达工作波长以及目标相对于雷达的径向速度等。
其中，雷达发射信号的带宽越大，距离向分辨率就越高；而方位向分辨率则主要由目标旋转角度决定。
一个常用的多普勒分辨率计算公式是：
Δfd = fdT1 - fdT2 = 1/T
其中，Δfd表示多普勒分辨率，fdT1和fdT2表示两个目标的多普勒频率，T是相干积累时间。
这个公式表明，多普勒分辨率基本上等于1除以相干积累时间T。
由于目标回波的多普勒频率fd = 2V/λ，其中V为目标相对于雷达的径向速度，λ为雷达工作波长，因此可获得的雷达径向速度分辨率ΔV为λ/2T。
在实际应用中，多普勒分辨率受到多种因素的影响，包括雷达系统的硬件性能、目标特性以及环境条件等。
为了提高多普勒分辨率，可以采取一些措施，如增加雷达发射信号的带宽、优化雷达系统参数、提高目标检测算法的性能等。
总之，多普勒分辨率是雷达系统性能评估中的一个重要指标，它反映了雷达对于不同速度目标的分辨能力。
通过理解和应用多普勒分辨率的相关概念和计算公式，可以更好地设计和优化雷达系统，提高其在复杂环境中的目标识别和跟踪能力。
激光雷达信号处理及目标检测算法激光雷达是一种常用于环境感知的传感器，其通过发射激光束并接收反射回来的激光信号来获取周围环境的距离和位置信息。
为了实现有效的目标检测和环境感知，激光雷达信号需要进行一系列的处理和分析。
本文将重点介绍激光雷达信号处理及目标检测算法的关键方面。
首先，激光雷达信号处理的第一步是数据预处理。
由于激光雷达信号中可能包含一些噪声和杂散信号，因此需要对原始数据进行滤波和去噪处理。
常用的处理方法包括均值滤波、中值滤波和高斯滤波等。
这些滤波方法可以有效地滤除信号中的噪声，提高后续处理的精确度和可靠性。
接下来，对于经过滤波和去噪处理的激光雷达数据，需要进行点云分割。
点云分割是将连续的点云数据分割成具有相同特性或属于同一目标的子集的过程。
常用的点云分割算法包括基于几何特征的方法、基于聚类的方法和基于机器学习的方法等。
这些算法可以将点云数据集中的每个点分配到相应的目标或者背景中，从而方便后续的目标检测和定位。
然后，对于每个被分割的子集，可以利用目标检测算法进行目标检测。
目标检测是激光雷达信号处理和分析中的关键任务，其目的是从点云数据中准确地检测出目标的位置和形状。
常用的目标检测算法包括基于滤波器的方法、基于模型拟合的方法和基于深度学习的方法等。
这些算法可以根据目标的特征和结构来检测出目标的存在，并提供目标的位置和属性信息。
在目标检测之后，还可以进行目标跟踪和运动估计。
目标跟踪是指在一个连续的时间序列中，通过预测和匹配的方法，从第一帧的目标检测结果开始，追踪目标的位置和运动轨迹。
运动估计是指通过分析目标在连续帧之间的位置和形状变化，估计目标的运动速度和方向。
这些信息对于环境感知和决策制定非常重要，可以用于行人识别、车辆跟踪和路径规划等应用。
最后，为了进一步提高目标检测的准确性和性能，可以结合激光雷达信号与其他传感器数据进行融合处理。
传感器融合可以利用不同传感器之间的互补性，提高目标检测的鲁棒性和可靠性。
科技成果——激光测风雷达技术开发单位中国兵器工业集团公司第二〇九研究所技术简介激光多普勒测风雷达是利用大气中随风飘移的气溶胶对激光散射的多普勒频移效应，来测量大气风场结构分布的一种现代光电技术。
其主要特点是采用光学方法，对测量空域的大气风场进行非接触式实时三维测量，具有响应快、精度高、空间分辨率高、体积小、结构紧凑等特点，在风力发电站、短期气象监测及预报、大气环境监测等方面具有广泛的应用前景，是一种新型、高效的气象条件测量系统。
激光多普勒测风雷达采用相干探测原理，利用人眼安全的1550nm激光作为照射光源，通过接收激光束对大气中随风飘移气溶胶的散射回波信号并与雷达本振光进行相干混频，并通过中频信号的数字鉴频技术来获得汽溶胶相对激光束的多普勒频移，结合雷达的光机扫描，最终实现对大气风场信息的测量。
该技术包括系统总体技术、激光发射技术、高效灵敏接收技术、大气风场实时信息处理及风场反演技术等。
上述关键技术已经得到突破，系统中的主要核心部件均已实现国产化。
该技术可用于风力发电站行业，代替传统的测风塔，实现对风机选址地点的常年观测，同时，还可以安装于风机机舱顶部，实现对风机前方大气风场的实时监测，为风机运行工作提供修正参数，以提高产量。
同时改进型的二维扫描激光测风雷达，可以实现对大气风场的全覆盖监测，获得大气风廓线及大气风场的PPI、RHI及CAPPI等扫描产品，以及飞机起降通道的大气风切变、迎头风、跑道横风等产品，以保障飞机起降安全。
技术指标工作波长：1550nm；测量高度（距离）范围：10-200m/50-3000m；风速范围：0-50m/s；风向范围：0-360度；风速精度：0.3m/s；风向精度：5度。
技术特点采用全光纤相干光路，环境适应能力强；主要部件采用全国产化器件，工作可靠。
技术水平国际先进可应用领域和范围风力发电、民用航空气象保障等专利状态已取得专利1项技术状态试生产、应用开发阶段合作方式合作开发投入需求1000万元转化周期1-2年预期效益近年来对风力发电行业方兴未艾，国家大力投入，各地区建立了诸多风力发电厂。
多普勒激光雷达测风原理话说这多普勒激光雷达测风，可真是个新鲜玩意儿，咱今天就来聊聊这背后的原理，保管让你听得津津有味，跟听评书似的。
那天，我站在气象站的观测台上，手里把玩着这小巧的激光雷达，心里琢磨着：这玩意儿怎么就能测出风的速度呢？它不像咱小时候玩的风车，风一吹就呼呼转，这激光雷达可是个高科技产品，得靠点真本事。
咱先说说这多普勒效应，你开车的时候，听见过远处警车的警笛声，有时候感觉声音越来越尖，有时候又越来越低沉，对吧？这就是多普勒效应在作怪，声源和接收器之间有了相对运动，声音频率就变了。
激光雷达测风也是这个理儿，只不过它用的是激光，而不是声音。
这激光多普勒雷达，它发射的激光束被大气中的气溶胶粒子散射，就像咱们在阳光底下能看见灰尘在跳舞一样。
这些气溶胶粒子就像是小小的镜子，把激光反射回来。
可问题是，这些粒子可不是静止的，它们跟着风一起动，这样一来，反射回来的激光频率就变了，这就是多普勒频移。
就像咱们俩站在这儿说话，你一动，我耳朵里的声音就变了个调儿，这激光雷达也是，它一接收到这变了调的激光，就能算出风的速度来。
你说神奇不神奇？但这事儿还没完呢，激光多普勒雷达还得靠个叫做相干探测的技术。
啥是相干探测呢？咱得这么理解，你见过俩水波相遇吧？有时候它们会叠加在一起，形成更大的波，有时候又会相互抵消，啥也看不见。
这激光也是，两束激光相遇，也能产生干涉效应。
激光雷达里头，有一束激光是专门用来当“参照物”的，咱们叫它本振光。
这束光跟反射回来的激光一相遇，就在探测器上产生了干涉，就像俩水波相遇一样。
探测器上的信号一变，咱们就知道，风来了，风速多少，也都算得出来。
说起来，这激光雷达测风，还真得靠点运气。
大气条件得好，气溶胶粒子得够多，要不这激光反射不回来，咱就啥也测不出来。
我就碰见过一回，那天雾蒙蒙的，气象站的人说，这条件正好，激光雷达能测得更远。
嘿，还真别说，那天咱们测得那叫一个痛快，连十公里以外的风都测出来了。
第40卷 第1期 激光与红外Vol.40,No.1 2010年1月 LASER & I N FRARE D January,2010 文章编号:100125078(2010)0120083204・光电技术与系统・测风激光雷达中F-P标准具频率跟踪方案及实现蒋立辉1,闫 朴1,孙东松2,唐 磊2,董晶晶2,沈法华3,冯 帅1(1.中国民航大学电子信息工程学院,天津300300;2.中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031;3.盐城师范学院物理系,江苏盐城224002)摘 要:在直接探测测风激光雷达中,多普勒频移由高分辨率的Fabry2Per ot标准具检测得到。
指出了激光频率与标准具腔长随环境温度的变化导致测量误差增大的问题,提出了频率跟踪的解决方案。
使用散射光纤对激光脉宽进行扩展,在双通道标准具的基础上增加专用于频率跟踪的通道,使用光电倍增管检测光强,设计制作了基于采样的频率跟踪电路。
仿真实验表明,该方案能够实现标准具腔长与激光发射频率的动态跟踪。
关键词:激光雷达;Fabry2Per ot标准具;频率跟踪;光电倍增管中图分类号:T N958.98 文献标识码:Atracki n g soluti on and achi eve ment for Fabry2Perotet alon i n wi n d li darJ I A NG L i2hui1,Y AN Pu1,S UN Dong2s ong2,T ANG Lei2,DONG J ing2jing2,SHE N Fa2hua3,FE NG Shuai1(1.Electr onic I nfor mati on Engineering College,Civil Aviati on University of China,Tianjin300300,China;2.Anhui I nstitute of Op tics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei230031,China;3.Depart m ent of Physics,Yancheng Teachers College,Yancheng224002,China)Abstract:A Fabry2Per ot etal on with high s pectral res oluti on is used as the frequency discri m inat or in the direct detec2ti on wind lidar.The laser frequency and the s pacing of cavity drift as the te mperature changes,which will cause the in2creasing of err or.A frequency tracking s oluti on is p r oposed.A backscatter fiber is used t o expand the width of laserpulse.A l ocking filter is added t o dual F-P etal on.Phot o M ulti p lier Tube(P MT)is used t o detect the intensity oflight and a frequency tracking circuitry is designed.The results of si m ulati on experi m ent indicated that,the s pacing ofcavity is able t o l ock t o the laser by this method.Key words:lidar;Fabry2Per ot etal on;frequency tracking;phot o multi p lier tube1 引 言多普勒测风激光雷达属于主动测量系统,它向大气发射激光脉冲并测量不同高度上返回信号的多普勒频移,根据频移量的大小计算风速。
相干多普勒测风激光雷达的工作原理多普勒测风激光雷达是一种利用激光束进行风速测量的仪器。
它基于多普勒效应原理，通过测量激光回波的频率变化来获取风速信息。
在本文中，我将详细介绍多普勒测风激光雷达的工作原理。
多普勒效应是指当一个波源相对于观察者具有运动速度时，观察者会感觉到波的频率有所改变的现象。
根据多普勒效应，当一个物体靠近观察者时，波的频率会增加，而当物体远离观察者时，波的频率会减小。
多普勒测风激光雷达利用激光束发射器发射一束激光束向大气中传播。
当激光束与空气中的气溶胶粒子或颗粒物相互作用时，部分激光能量会被散射回到接收器。
接收器会接收到这些回波，并利用光电二极管将其转化为电信号。
在接收到回波信号之后，多普勒测风激光雷达会利用频谱分析的方法来解析这些信号，并提取出风速信息。
频谱分析是指将信号转化为频域表示的过程。
对于多普勒雷达来说，它会将接收到的回波信号转化为频谱表示，并通过分析频谱的峰值位置和宽度等参数来确定风速。
具体来说，多普勒测风激光雷达会通过比较接收到的激光回波信号与发射的激光信号的频率，来计算出频率差值。
这个频率差值与气体流动的速度成正比。
通过测量频率差值，多普勒测风激光雷达可以获取到风速信息。
在实际应用中，多普勒测风激光雷达可以被用于测量大气中的风速和风向。
它可以提供精确的风速测量，且对于气象、航空、环境等领域具有重要的应用价值。
总结起来，多普勒测风激光雷达的工作原理是基于多普勒效应。
它利用激光束与空气中的粒子进行相互作用，并通过测量激光回波信号的频率变化来获取风速信息。
多普勒测风激光雷达具有高精度、无需要涉及观测通量、有较长的测高范围等特点，因此被广泛应用于气象、航空、环境等领域。
写一篇非相干脉冲激光多普勒雷达测速系统的报告，600字
本文是关于非相干脉冲激光多普勒雷达测速系统的报告，它可以在不破坏道路表面的情况下准确测量车辆的速度。
非相干脉冲激光多普勒雷达（LIDAR）测速系统是一种高度精确、非接触式的测速技术，它不需要改变道路表面，可以对移动中的车辆进行准确地测量。
此技术采用非相干脉冲激光扫描，使用激光束照射车辆表面，结合多普勒效应，根据车辆的空间速度来测量车辆的表面速度。
LIDAR测速系统有两个优势：一是它可以获得更精确的速度数据，能够提供更准确的车辆定位信息；二是它可以准确准确测量车辆在瞬时时间内，从而识别车辆的行驶状态，进而更好地控制交通流量，避免车辆发生危险性事故。
由于LIDAR测速系统可以准确测量车辆的表面速度，因此无论在任何情况下，都可以获得准确的测速信息。
此外，LIDAR测速系统还可以实现对违章行为的快速检测和报警，从而更好地管理交通安全。
总之，非相干脉冲激光多普勒雷达测速系统是一种能够在不破坏道路表面的情况下获得准确的测速信息的技术，其优势使它在交通监管行业越来越受欢迎。
激光多普勒测风雷达鉴频系统的自动化控制测风激光雷达在全球风场和机场风切变等探测中发挥重要作用,而其自动化控制是保证雷达正常、稳定运转及精确、高效工作必不可少的一个部分。
本论文就测风雷达的自动化控制展开研究。
首先对激光多普勒测风雷达系统的总体控制方案进行了设计。
然后以雷达的鉴频系统为重点,设计了其自动化控制方案并在硬件设备和软件程序上实现。
最后通过实验来检测了鉴频控制系统的可行性。
论文的核心部分是测风雷达鉴频系统自动化控制的方案设计和实现。
在实现控制系统硬件设备的基础上,利用VC++编写了主控计算机对鉴频相关设备的监控软件。
控制系统实现的功能主要有:鉴频F-P标准具透过率角度调谐曲线的扫描,标准具初始工作点的定位,以及鉴频数据的采集和处理。
自动化监控程序的两个关键技术是串口通信和GPIB通信。
串口通信程序实现主控计算机与控制单片机之间的通信,单片机根据用户要求驱动步进电机携带F-P标准具按设定的方向和角度转动到指定位置。
主控计算机通过GPIB接口从采集示波器读取测量的光强数据。
实验部分主要包括四个方面:鉴频激光特性的测量和分析;控制系统精度测量;鉴频F-P标准具透过率角度调谐曲线的扫描和初始工作点定位;硬目标回波信号的测量和分析。
实验中设计了鉴频自动化控制系统的检验方法。
在自动化控制下进行F-P标准具透过率曲线的扫描,得到的扫描曲线与理论曲线变化规律一致。
运行定位程序将标准具定位到工作点进行光强测量,得到的结果与扫描曲线上该点的光强差值为2.8%,而定位误差小于2.6μrad。
实验证明,控制系统能够实现鉴频F-P标准具透过率曲线的扫描和工作点的定位,其定位精度能够满足鉴频系统的要求。
利用监控软件的采集程序测量了硬目标静止、正转和反转三种情况下的回波信号。
对测量数据进行处理得到硬目标转速大小,正、反转速分别为5.1m/s和-3.9m/s,而利用转速计测量的值为4.7m/s和-4.3m/s,两个方向的测速差值均小于0.5m/s。
相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究共3篇相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究1相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究激光测风雷达是一种基于激光干涉原理，用于实现大气风场气动参数快速测量与反演的先进技术手段。
本文将介绍一种相干测风激光雷达系统的设计及数据处理算法研究。
一、相干测风激光雷达系统的设计风场参数反演的精度、可靠性和实时性直接关系到气象预报的准确性。
相干测风激光雷达系统采用一束激光器产生的激光束照射到目标区域中，利用散射光的特性实现对目标中各个高度层次风场参数的测量。
该系统主要由激光发射器、光学系统、探测器、机械结构和信号处理模块等部分组成，其中激光器产生的激光束由光学系统实现照射目标，探测器采集返回的散射光信号并将其转换为电信号，机械结构可以实现雷达的扫描，信号处理模块对采集到的信号进行处理。
二、数据处理算法研究相干测风激光雷达系统采集的数据是获得风场参数的重要依据，因此数据处理算法的设计对于反演结果的准确性有着直接的影响。
本文研究的数据处理算法主要有多普勒谱分析算法、最小二乘法反演算法和平均滤波算法等。
1. 多普勒谱分析算法多普勒谱分析将时域信号转换为频域信号，可以分析目标物体在不同时刻的静态和动态特性，可以有效提取目标物体的速度信息，从而实现风场参数的反演。
该算法通过计算散射光频谱的谱宽来获取目标物体的运动速度信息。
2. 最小二乘法反演算法该算法通过对扫描目标附近某一层数据的最小二乘拟合，计算得到该层的风场参数，从而实现风场参数的反演。
该算法对目标物体反射信号的形态及信噪比等要求较高，但可以有效提高反演的准确性。
3. 平均滤波算法该算法通过对一定范围内数据的平均值进行计算，从而抑制噪声干扰，提高数据的可靠性。
该算法是一种简单有效的数据处理算法，在反演速度场等定量测量中得到了广泛应用。
三、结论相干测风激光雷达系统是一种先进的风场参数反演技术，其数据处理算法的设计是实现精确反演的关键。
非相干多普勒测风激光雷达鉴频算法刘延文;孙学金;张传亮;李绍辉【摘要】风场对大气的运动状态和运动趋势具有很强的代表性,所以风场的测量精度对数值天气预报和气候研究都至关重要.激光雷达具有很高的时空分辨率,在近几十年发展迅速,在对地观测中的作用越来越大,尤其在大气风场的探测中得到了很大的应用.本文从探测原理、分类和技术等方面分别对多普勒测风激光雷达进行了介绍,并着重总结了非相干多普勒测风激光雷达的多普勒频移算法,可以为我国星载激光雷达的研究提供参考.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2018(048)010【总页数】10页(P1204-1213)【关键词】风;激光雷达;多普勒频移;边缘技术;条纹成像技术【作者】刘延文;孙学金;张传亮;李绍辉【作者单位】国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101【正文语种】中文【中图分类】TN958.98;X8311 引言风对于大气能量循环、污染物扩散、水汽和气溶胶粒子的输送都有重要的影响,更是大气环流的根本动力,是数值天气预报和气候研究中最迫切需要的数据,并且局地风场在飞机起飞与着陆、火箭发射及军事等方面具具有重要的意义[1-4],但在当前全球观测系统中,对风的观测并不充分,和气压、温度、湿度等大气基本变量相比,风的观测较为薄弱[5]。
当今世界气象组织主要通过无线电探空网、机载仪器和气象雷达来对风场进行探测,但无线电探空网分布不均匀,在南半球和洋面上观测数据有限[6],边界层以上的风速可以根据地转理论和气压测量值计算得到[8],但该方法只适用于中高纬地区,所以需要直接探测资料来对大气流动有更准确的认识。
激光雷达作为近几十年来快速发展的探测仪器,被用于温度[8-9]、气溶胶浓度和光学厚度[10]的测量,对风场的测量也有时空分辨率和探测精度高、探测范围大、响应速度快的优点,星载激光雷达更是可以获得高精度的全球风场。
多普勒测风激光雷达通过测量随风场运动的分子和气溶胶粒子对激光造成的多普勒频移来实现风场的测量,分子和气溶胶的后向散射光被激光雷达接收,通过干涉仪后光子被电荷耦合器(CCD)接收,利用CCD上光子的累积和分布计算得到多普勒频移,利用多普勒频移就可以得到风速,所以多普勒频移的计算精度决定了风速测量精度。
对于边缘技术和条纹成像技术,都有多种多普勒频移的检测算法,尤其对于条纹成像技术而言,不同算法的计算精度、计算速度和计算稳定性都不同,所以需要根据不同的要求选择不同的算法计算多普勒频移。
本文总结了非相干测风激光雷达的不同算法,介绍个各种算法的适用性,比较了不同算法的精度和误差。
2 多普勒测风激光雷达的探测原理多普勒测风激光雷达发射激光脉冲并接收大气后向散射信号,大气分子和气溶胶粒子随风场运动会与激光产生多普勒效应,从而改变散射回波的频率,通过测量和计算得到多普勒频移,就可以计算出径向风速,其表达式为:vd=2vLOS/λ(1)式中,vd为多普勒频移;vLOS为径向风速;λ为波长。
从式(1)可以看出,多普勒频移与目标物的运动速度及激光雷达的工作波长有关,当激光雷达的载荷确定后,多普勒频移只与目标(分子或气溶胶)的运动速度有关。
根据径向风速和激光的天顶角(地基)或天底角(空基和天基)便可计算出水平径向风速,其表达式为:vHLOS=vLOS/sinθ(2)其中,vHLOS为水平径向速度;θ为天顶角或天底角。
3 激光雷达的鉴频方法按照鉴频方式不同,测风激光雷达可以分为非相干激光雷达[11-13]和相干激光雷达[14-15]。
相干技术首先利用光电二极管将光信号转化为电信号[16],然后出射信号与回波信号混频,拍频信号的频率就是回波信号的多普勒频移,主要用于大气中低层Mie散射回波信号的频移测量[17]；非相干技术利用光学鉴频器将频移转化为功率、强度或功率空间分布变化,通过测量功率、强度或功率空间分布的变化来反演风速[18],探测范围可到大气中高层。
相干雷达的探测灵敏度、探测精度及信噪比高[19],噪声功率小,对太阳背景光不敏感[20],但对光学准直性要求高,接收视场角的失配会严重影响激光雷达的性能,对于短波长的多普勒激光雷达校准要求更为严格,且无法准确探测Rayleigh散射信号。
非相干探测对光学系统和激光性能的要求相对较低,系统结构简单,技术成熟且容易实现,采用多脉冲累积可以提高信噪比和探测精度,减小激光散斑的影响,对Rayleigh散射和Mie散射信号都可以进行探测,利用短波长的激光可以提高Rayleigh散射强度,在气溶胶浓度为零的情况下也可以工作[21]。
非相干探测包括边缘技术和条纹成像技术。
边缘技术是利用滤波器将后向散射回波信号的频移转化为能量变化,通过测量能量变化计算多普勒频移；条纹技术则是利用不同波长的光透过干涉仪后干涉条纹位置不同的原理来实现多普勒频移的测量,可采用的干涉仪有F-P标准具和Fizeau干涉仪等。
F-P标准具的干涉条纹呈环状,且条纹的粗细和间隔不一致,风速与条纹半径变化为非线性关系[22],需要阵列式探测器动态追踪条纹变化,和线形像素探测器CCD不匹配,不利于测量[23-24],利用环状阴极倍增管可以解决此问题,但其量子效率较低[25],另一种解决方法是将环形条纹转变为线条纹,再用CCD探测[26]。
Fizeau干涉仪的干涉条纹呈线形,可以直接通过CCD检测条纹重心的变化来实现多普勒频移的测量[23],这种鉴频系统光路简单,系统效率高,干涉仪口径要求低[27]。
条纹技术一般用于测量Mie散射信号,而边缘技术对Rayleigh散射信号和Mie散射信号都可以测量,在敏感性上两种方法并没有显著的不同[21],风速测量精度十分接近[28]。
3.1 边缘技术边缘技术可利用F-P标准具、M-Z干涉仪[29-31]、Michelson干涉仪、光栅、各种原子和分子滤波器[32],如钠、钾、碘[33]、银蒸汽滤波器等,探测灵敏度依赖于分子与气溶胶的后向散射率及风速大小,F-P标准具是非相干探测的主要鉴频器[34-37],其透过率曲线具有陡峭的边缘,入射光频率变化会使透射光的的强度发生明显变化。
3.1.1 单边缘技术由于标准具透过率曲线半宽点对应频率处的斜率最大,所以出射激光的频率υE锁定在此处,微小的频移将使标准具的透过率发生明显变化。
由于布朗运动,Rayleigh散射和Mie散射光谱的谱宽有很大差别,但都可用高斯函数来表示:(3)式中,σx为散射信号光谱的标准差,下标“x”表示不同散射类型,“R”表示Rayleigh散射,“M”表示Mie散射。
分子散射光谱的标准差σR=(8kT/mλ2)1/2；Mie散射谱线宽度表示为σM=συ0/(8ln2)1/2,συ0为发射激光的谱宽。
通过标准具的光是入射光光谱和标准具透过率曲线h(v)的卷积,表示为:T(υ)=fx(υ)*h(υ)(4)其中,“*”表示卷积,所以透过干涉仪的能量为:I(υ)=I0·T(υ)(5)其中,I0为入射光的光强。
标准具的频率灵敏度的定义为:单位频率变化造成透过率的相对变化,表达式为:(6)根据多普勒频移和速度之间的关系:υd=2v/λ,标准具的速度灵敏度(单位速度变化引起标准具透过率的相对变化)表达式为:(7)则径向速度为:(8)式中,II′为回波信号的强度;II为回波信号通过标准具后的强度;IE′为发射激光的光强;IE为出射激光透过标准具的强度。
3.1.2 双边缘技术双边缘技术是单边缘技术的改进,其测量灵敏度和精度比单边缘技术都要高[37]。
标准具中心以一定间隔分开,得到两个分辨率、精度、频谱分布相同,但峰值透过率对应频率不相同的两个通道,出射激光频率锁定在两个透射率曲线的交叉位置,回波信号通过标准具两个通道的能量随频率变化,利用两个通道上接收到的能量,便可以计算出回波信号的频移,其测量原理如图1所示。
图1 基于F-P标准具的Rayleigh散射多普勒测量原理及CCD成像Fig.1 Rayleigh scattering doppler measurement principle based on F-P interferometer and CCD imaging双边缘技术包括连续双通道技术和离散双通道技术,两种技术原理相同,只是回波信号在探测器内的路径不同,离散双通道技术是利用分光片将回波信号平均分为两束[38],然后分别通过标准具的两个通道,当风速为零时,两个通道上接收到的能量相等,当径向风速不为零时,回波信号频率改变,透过两个通道的的能量不相等,利用两个标准具透过的能量便可计算出频移,其离散双边缘透过率如图2所示。
图2 离散双边缘透过率Fig.2 Discrete double-edge transmittance连续双通道技术不再将大回波信号分离,而是直接进入一个通道,该通道的反射信号进入另一个通道,如图3所示,假设通道A和通道B的透过率都为10%,回波信号首先进入通道A,10%的光子透过通道A,90%的光子被反射进入通道B,则通过通道B 的光子数仅占总光字数的9%(90%×10%),虽然两通道的透过率的相同,但由于进入通道B的信号是通道A上的反射信号,所以风速为零时,透过两通道的能量也不相等,但较传统离散双F-P标准具的效率更高[39-40]。
图3 连续双边缘F-P标准具示意图及双边缘透过率Fig.3 Schematic of continuous double-edge F-P interferometer and double-edge transmittanceChanin依托于双边缘的高敏感性提出了多普勒频率响应函数R[34,41],响应函数R 是多普勒频移的单值函数,从而可以利用响应函数求得多普勒频移,在风速为-100～100 m/s范围内,响应函数为一条直线,表达式为:(9)其中,NA和NB分别表示回波信号通过标准具两个通道的光子数,可表示为:(10)通过F-P标准具后光子探测器接收到的光子数由F-P标准具的透过率决定的,所以响应函数可以表示为:(11)其中,TA和TB分别表示F-P标准具两个通道的透过率。
响应函数廓线反映了各高度回波信号频率的变化,利用系统标定函数与大气温度廓线,可以计算出不同高度的多普勒频移[42]。
Korb自1992年以来一直致力于边缘技术研究,并和Flesia提出了另一种响应函数的表达式[43-46]:(12)根据相同的原理,响应函数还可以表示为:R3=T1-T2(13)(14)除了Korb提出的多普勒频率响应函数之外,其他响应函数在正常风速所产生的多普勒频率范围内,敏感性都较高,但响应函数R1和R4在风速较大时略高,但是并不明显,所以在应用中需要根据实际需求选择不同的响应函数。
