多普勒测风激光雷达校准仪中激光入射和接收角度设计

　　1 引言

　　测风激光雷达作为一种测量工具，风速校准是测量准确性的关键问题之一。通常的校准方法是进行对比实验，即与其它测量工具例如：微波多普勒雷达、探空仪、声雷达或气球等进行对比实验。

　　由于各种方法的测量结果都会存在误差，因此这种校准方式只是一种相对的校准，精度有限。为此，提出一种更为精确校准的方法，依据气溶胶散射谱与激光硬目标的散射谱一致的原理，激光雷达发出的激光束分别照射到软、硬运动的目标上，测风激光雷达系统接收机接收和检测多普勒散射光，测量散射信号的多普勒频率或径向速度，并与已知的运动硬目标速度的准确结果进行比较，得到系统的校准曲线，并最终达到准确校准风速的目的。

　　2 系统介绍

　　依据上述思想，研制了多普勒测风激光雷达校准仪。其校准系统工作原理如图 1 所示。发射的激光一部分直接进入标准具作为发射频率的检测，而另一部分通过发射准直器照射到旋转的转盘上，散射光再经过另一接收准直器耦合到光纤后送入标准具进行频率检测，测量出后向散射光的频率 v，接收和发射频率的差就是径向多普勒频移vd=v v0。而根据光的多普勒频移公式可测得转盘的边缘速度为:

　　式中：

　　为入射光线与入射点处圆盘切线之间的夹角;

　　为入射光与接收光的夹角。

　　上述公式(1)中的速度是通过激光雷达系统得到的。这一测量结果与实际测风激光雷达测量风速时的原理及方法是完全一致的，因此 式(1)就是激光雷达测量风速的公式。

　　另一方面通过校准仪的速度调节与显示系统可以准确得到旋转的转盘的边缘线速度为：

　　式中:

　　n 为实际测得的转速;

　　R 是转动圆盘的半径。

　　这样就可以通过 V与 V0的比较实现对测风激光雷达所测量的风速[式(1)中的速度]进行校准的目的。

　　在上述校准仪系统中，校准仪中激光入射和接收角度的设计是一个至关重要的内容。其中涉及对校准仪入射和接收光路分析、准直器到转盘的距离的选取、多普勒频移量的分析、入射光覆盖的弧长的计算等项工作。

　　3 校准仪入射和接收光路分析

　　对图 1 中虚框部分取出并进行深入分析。校准仪激光入射和接收角度设计是针对发射准直器、接收准直器与圆盘之间的角度的选取与设计，如图 2 所示。

　　已知参数：

　　(1)由于准直器本身的外围尺寸接近 20mm，故支架的宽度 D 取 20mm;

　　(2)光束直径 d=2×NA×f=2×0.22×10=4.4mm;