1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光工程技术实验室, 上海 201800
4 中国科学院大学, 北京 100049
临近空间风场数据对飞行器的姿态控制和飞行安全具有重要意义。针对中国科学院上海光学精密机械研究所自行研制的可搭载于临近空间飞行器的直接探测多普勒激光测风雷达(DWL)原理样机,介绍了其工作原理、系统结构,并给出了相关的技术参数。对该DWL原理样机进行了地面自测试实验,并将反演结果与相干探测激光测风雷达(CDL)和探空气球的测量结果进行了对比。结果显示:该DWL原理样机反演的近地面的风速风向结果与CDL和探空气球的测量结果具有良好的一致性。在0.3~1.1 km的高度范围内,以CDL的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差(RMSE)为1.38 m/s,风向均方根误差为9°;在0~3 km的高度范围内,以探空气球的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差不大于2.1 m/s,风向均方根误差不大于10°。
遥感 激光测风雷达 多普勒频移 风场探测 数据对比
1 浙江大学 光电科学与工程学院, 浙江 杭州 310027
2 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
3 浙江大学 海洋学院, 浙江 舟山 316021
星载激光雷达是实现海洋垂直剖面探测的有效工具, 也是目前迫切需求的海洋光学遥感手段。对星载海洋激光雷达的波长参数进行评估对保证探测有效性具有重要意义。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学特性数据, 估算全球海水探测深度及相应的最优波长; 并根据太阳夫琅禾费暗线特性, 对信号信噪比进行优化。结果表明: 在探测深度方面, 最优探测波长在488 nm波段的海洋占全球海洋面积的70%左右, 并且全球95%以上的海域在488 nm波段的探测深度优于0.8倍的真光层深度; 在信噪比方面, 相对于488 nm波段, 486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm带宽的滤光片可以将背景光强度降低70%, 相应地回波信噪比整体提升了约50%。就全球海洋探测来说, 使用486.134 nm作为探测波长可以提高探测深度, 有效抑制太阳背景光, 提高信噪比, 因此, 486.134 nm是星载海洋激光雷达的最佳工作波长。
星载海洋激光雷达 探测深度 太阳夫琅禾费暗线 信噪比 工作波长 spaceborne oceanic lidar detection depth solar Fraunhofer line signal to noise ratio operating wavelength
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
研究了光学鉴频器的精密温控方法及其对鉴频光学谱线、鉴频误差的影响。设计了双层温控结构及电路,采用三线制等长接法、双路电流源方向切换等方式来减小引线电阻影响,消除了两路电流源失配。研究了基于现场可编程门阵列(FPGA)的模拟和数字混合温度控制方法,不同温度设置点的控制实验显示温控精度达到了0.0062 ℃,测量误差为0.0036 ℃。用单频紫外激光测试了该温控精度对光学鉴频器的谱线移动、透过率的影响边界,在该控制精度下的透过率谱线平移为0.11 MHz,造成的速度测量误差为0.0195 m/s。
测量 鉴频器 温度 光谱 多普勒频移
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Space Laser Communication and Detection Technology, Shanghai Institute of Fine Mechanics and Optics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
A frequency-stabilized laser system at 1572 nm for space-borne carbon dioxide (CO2) detection LIDAR to realize the precise measurement of the global atmospheric CO2 concentration is presented in this Letter. A distributed-feedback laser diode serves as the master laser (ML) and is wavelength locked to the CO2 line center at 1572.0179 nm using the external frequency modulation technique. The root mean square frequency drift is suppressed to about 50 kHz at an average time of 0.1 s over 8 h. Based on optical phase-locked loops, an online seeder and an offline seeder are offset locked to the reference laser at 1572.024 and 1572.081 nm, respectively, retaining virtually the same frequency stability as the ML.
140.3425 Laser stabilization 300.6380 Spectroscopy, modulation 350.6090 Space optics 280.1910 DIAL, differential absorption lidar Chinese Optics Letters
2017, 15(3): 031401
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化碳浓度的有效手段。研究了机载路径积分差分吸收激光雷达测量二氧化碳柱线浓度的主要误差项, 分析了这些误差项导致的二氧化碳柱线浓度反演误差。介绍了机载差分吸收激光雷达基本工作原理, 并理论分析了大气温度、压强和水汽不确定性误差, 激光频率稳定性和飞机姿态速度测量不确定性等系统误差, 以及不同地表反射率产生的随机误差。分析结果表明: 在二氧化碳浓度380 ppm(1 ppm=10-6)时, 机载激光雷达二氧化碳柱线浓度综合测量误差约为0.71 ppm, 满足1 ppm的二氧化碳柱线浓度高精度测量需求。
二氧化碳浓度 路径积分差分吸收 机载激光雷达 误差 CO2 concentration integrated path differential absorption (IPDA) airborne lidar error 红外与激光工程
2016, 45(5): 0530001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
研究了基于激光条纹成像的风速测量技术，根据Fizeau干涉仪透射率函数和大气中的分子散射光谱特征对其优化设计，得到了一套基于任意光束入射的Fizeau干涉仪的系统参数。优化设计结果为Fizeau干涉仪腔长12 mm，平板反射率0.65。最后模拟了该Fizeau干涉仪对分子和气溶胶的联合测量能力。模拟仿真结果表明，在20 mJ、100 Hz重复频率和接收口径200 mm 条件下，风速测量误差为1 m/s，探测高度为17.8 km。
遥感 Fizeau干涉仪 分子多普勒频移 风速
中国海洋大学海洋遥感研究所, 山东 青岛 266003
模拟了基于355 nm波长双边缘 Fabry-Perot(FP)鉴频器和基于532 nm波长碘分子鉴频器的 星载测风激光雷达系统性能。进行的比较和分析主要包括激光出射光子数、大气后向散射强度、 探测器、鉴频器及测风灵敏度等。给出了星载平台系统接收后向散射信号的信噪比和测风误差, 以评估两种激光雷达系统的性能。结果表明,在距地面0～5 km高度范围, 532 nm碘分子鉴频器系统 测风误差低于355 nm 双边缘FP系统,而对于距地面5 km以上大气范围, FP系统风速误差比碘分子 鉴频器系统低25%。
大气光学 鉴频器比较 激光雷达 碘分子鉴频器 双边缘FP鉴频器 atmospheric optics filter comparison lidar iodine filter double-edge Fabry-Perot filter
1 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
设计了半导体激光器双端面抽运的种子注入Nd:YAG 绿光激光器。通过优化谐振腔结构参数设计，实现增益介质激活区域与基横模体积的良好匹配，获得稳定的基横模输出。48 h连续运转，输出的脉冲能量不稳定度小于2.9%，并确保单频输出。在传导冷却结构中，实现了高光束质量、高重复频率、窄脉冲宽度且可调谐的532 nm单频绿光的稳定输出。在重复频率为1 kHz时，最大输出脉冲能量大于4 mJ，脉冲宽度约为6.5 ns。激光束在水平方向和垂直方向的光束质量M2值分别是1.166和1.158。输出单频绿光激光的连续调谐范围可达到15 GHz。
激光器 Nd:YAG激光器 种子注入 腔内倍频 电光调Q
中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海 201800
研制了一套用于大气风速测量的1.064 μm全固态相干激光雷达系统。该系统采用种子注入 Nd∶YAG脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为0.5 mJ，脉冲宽度(FWHM)为80 ns。 利用40 m处的转轮进行了硬靶速度校正实验(速度测量误差的方差为0.23 m/s)，并对大气视向风速进行了测量(探测距离可 到达400 m)。在对系统进行初步优化后，获得了30 ～ 870 m的视向风速分布曲线。
激光雷达 多普勒 相干 测风雷达 lidar Doppler coherent wind lidar
