科學(xué)島團(tuán)隊(duì)在臨近空間大氣風(fēng)場探測新技術(shù)上取得進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所劉東研究員、吳德成副研究員團(tuán)隊(duì)在臨近空間大氣風(fēng)場激光雷達(dá)探測新技術(shù)上取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)利用超窄帶單通道法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具濾波技術(shù)與激光跳頻技術(shù)，提出了一種適用于瑞利散射多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的鑒頻方法，在理論上對該方法中的核心技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對風(fēng)速測量誤差進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算和分析。相關(guān)成果以《瑞利散射測風(fēng)激光雷達(dá)雙頻比鑒頻技術(shù)研究》為題，發(fā)表在國際知名光學(xué)期刊Optics Express上。

大氣風(fēng)場是臨近空間極為重要的大氣環(huán)境要素之一。瑞利散射多普勒激光雷達(dá)是當(dāng)前高精度、高時(shí)空分辨率探測臨近空間大氣風(fēng)場的主要技術(shù)手段。鑒頻器是瑞利散射多普勒激光雷達(dá)中的核心器件，目前主要有雙通道或三通道法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和原子/分子濾波器兩種技術(shù)路線。原子/分子濾波器技術(shù)路線只能適用于某些特定波長的激光雷達(dá)；法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具技術(shù)路線對激光雷達(dá)工作波長的選擇沒有限制，但是雙通道或三通道法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的技術(shù)難度大、成本高，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)成熟度低，兩者都有局限。

因此，針對臨近空間大氣風(fēng)場探測激光雷達(dá)中的核心鑒頻問題，團(tuán)隊(duì)提出了用于大氣分子瑞利散射回波信號的雙頻比率鑒頻技術(shù)，利用低成本、高成熟度的單通道法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具作為濾波器件，并聯(lián)合成熟的激光跳頻技術(shù)，通過發(fā)射和接收兩個(gè)不同頻率的激光脈沖和大氣分子瑞利散射回波信號，實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)場的探測。通過對雙頻比率鑒頻技術(shù)的鑒頻靈敏度和系統(tǒng)探測誤差進(jìn)行分析，確定了標(biāo)準(zhǔn)具和激光器最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)；模擬仿真計(jì)算和分析表明，和傳統(tǒng)技術(shù)相比，此新鑒頻技術(shù)具有更強(qiáng)的臨近空間大氣風(fēng)場探測能力。

團(tuán)隊(duì)提出的雙頻比率鑒頻技術(shù)中采用成熟的單元技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)瑞利散射多普勒激光雷達(dá)中核心鑒頻器件的國產(chǎn)化替代。該鑒頻方法還適用于對流層大氣風(fēng)場探測，適用于機(jī)載和星載大氣風(fēng)場探測激光雷達(dá)中，更好地服務(wù)于氣象、環(huán)境、民航、國防等領(lǐng)域。

雙頻比率鑒頻技術(shù)原理示意圖