1 相干探測(cè)信號(hào)分析由本振激光器產(chǎn)生激光通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，其產(chǎn)生的本振光為:Es(t)= Ascos(2nfot+ P) =Asexpj2nfot+ P(5)
本振光經(jīng)過(guò)分束器其中一路在通過(guò) AOM 和放大通過(guò)望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到空氣中，此時(shí)的信號(hào)可以表示為:Em(t)=Amcos[2 fo+ fmt+P]=Amexpj[2 fo+fmt+] (6)放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)選擇四個(gè)方向的望遠(yuǎn)鏡輸出打入空氣并與空氣中氣溶膠產(chǎn)生碰撞產(chǎn)生反向的波形:
Ep(t)=Apcos[ 2( fo+fm+fp)t+p]=Apexpj[2fo+fm+fp)t+p] (7)通過(guò)光學(xué)探測(cè)器接收與本振光分束出的另一路，經(jīng)過(guò)合束器合束后混頻后的信號(hào)為E(t)=Es(t) +Ep(t) (8)
根據(jù)光電探測(cè)器的平方律特性，光電探測(cè)器光敏面上的光電流為:
i(t) = E(t)2 = [E,(t) + Ep(t)]2 = Asexp j(2nfot + P) + Apexp j[2(fo +fm + fo)t + o]]' = [A, exp j(2fot + o)]2 + [A exp j(2fit + p)]2 +2A,Apexpj[2(f - fo)t + Ap] = A + + 2AApexpj[2(f - f)t + Ap](9)
f;=fo+fm+f (20)
公式中前兩個(gè)分量包括高頻的信號(hào)和直流信號(hào)會(huì)被探測(cè)器濾除最后得到的光電轉(zhuǎn)換電流信號(hào)為:
i(t)=2AApexpj[ 2t( fm+ fp)t+ A p] (22)
數(shù)字信號(hào)處理得到反射回信號(hào)的頻率，根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過(guò)計(jì)算的頻移和氣溶膠的運(yùn)動(dòng)速度成正比，散射信號(hào)通過(guò)和系統(tǒng)內(nèi)部光纖激光器產(chǎn)生的本振光進(jìn)行相干調(diào)解然后經(jīng)過(guò) AD采樣后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理得到徑向風(fēng)速再經(jīng)過(guò)風(fēng)場(chǎng)反演算法，即得到目標(biāo)范圍內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)信息。
2 相干探測(cè)激光器激光器主要用來(lái)產(chǎn)生探測(cè)大氣的激光。激光器除了波長(zhǎng)么外還有激光輸出功 率，線寬，光斑質(zhì)量等參數(shù)。如果激光器光源為脈沖模式，還有重復(fù)頻率，脈沖寬度，脈沖能量等參數(shù)。
2.2 激光器線寬
激光光源所發(fā)射激光并非理想單色光，而是有一定波長(zhǎng)寬度，在頻譜上表 現(xiàn)為頻譜展寬，這個(gè)展寬決定了激光的相干長(zhǎng)度。激光波長(zhǎng)和頻率存在如下關(guān)系:A=號(hào)(2-2)
對(duì)公式(2-2)進(jìn)行微分有
AA=AAf(2-2)
或者寫(xiě)為:
Af=號(hào)AA(2-3)
光源的相干長(zhǎng)度定義為相干時(shí)間內(nèi)激光傳播的距離，相干長(zhǎng)度可以表示為
L艾 彩民 (2-4)
Tc表示激光光源的相干時(shí)間與激光器線寬之間的關(guān)系為AfxTc=2 (2-5)
L=忐xc(2-6)
設(shè)激光器 波長(zhǎng) 2000nm，中心頻率為 3x2024Hz，探測(cè)距離為2000mAf=3x=3x20Hz=300kHz。對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為(3x20 x 3x 205 =2x 20-nmAA=號(hào)Af=_3x20°
在相干探測(cè)系統(tǒng)中，如果光源的相千長(zhǎng)度越長(zhǎng)，本振光和信號(hào)光的相千效率就會(huì)越高。激光線寬在對(duì)外差探測(cè)時(shí)帶來(lái)的影響就是產(chǎn)生信號(hào)頻譜密度分布上的展寬，該展寬頻譜使得對(duì)頻譜峰值提取精度降低。為了盡可能準(zhǔn)確提取頻譜密度上的峰值頻率，要求峰值越窄越好，為此，在激光外差探測(cè)時(shí)，要盡可能的選取線寬較小的激光器。
2.2 脈沖激光器參數(shù)
脈沖測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)量距離較遠(yuǎn)。但是往往存在幾十米的探測(cè)盲區(qū)，盲區(qū)可以通過(guò)下面式子進(jìn)行計(jì)算
Sblind = Sresolution= CTeul
(2-7)2sblind為探測(cè)盲區(qū)距離等于最小可分辨距離sresolution’c為光束，Tpulse為脈沖寬度脈沖激光器的重復(fù)頻率frepeat 決定了該激光雷達(dá)系統(tǒng)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離，在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，任意時(shí)刻探測(cè)器接收到的信號(hào)只能是一個(gè)脈沖信號(hào)在不同距離與大氣物質(zhì)作用的后向散射信號(hào)，如果一個(gè)時(shí)刻探測(cè)器接收到兩個(gè)或者多個(gè)信號(hào)，多個(gè)脈沖在不同位置的后向散射信號(hào)將在探測(cè)器上反射混疊，探測(cè)器系統(tǒng)將不能分辨此時(shí)的大氣反射信號(hào)是來(lái)自哪個(gè)位置的信9
Smax = 2frepeat(2-8)
重復(fù)頻率還決定了2s中系統(tǒng)能采集的回波脈沖的個(gè)數(shù)，由于脈沖雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行頻譜估計(jì)時(shí)，需要多個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行多測(cè)非相干疊加計(jì)算。合適的重復(fù)頻率能夠提高激光雷達(dá)系統(tǒng)完成一次視線信號(hào)的風(fēng)速計(jì)算。
脈沖激光器的輸出能量一般由脈沖功率，平均功率，脈沖能量進(jìn)行表征EpulsePpulse = Tpulse(2-9)p= Epulsex frepeat (2-20)
Ppulse 為脈沖功率，戶(hù)平均功率，Epulse為脈沖能量。
3 AOM相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)可以分為零差相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和外差相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，兩者的區(qū)別在于發(fā)射激光中心頻率和本振中心頻率之間有沒(méi)有經(jīng)過(guò)頻移調(diào)制。零差法沒(méi)有頻移調(diào)制，智能區(qū)分視向風(fēng)速產(chǎn)生的多普勒頻移大小，無(wú)法區(qū)分正負(fù)，因而無(wú)法區(qū)分視向風(fēng)速的方向。外差法適用AOM進(jìn)行頻移調(diào)制，將零風(fēng)速位置的追蹤品頻率調(diào)制為fm’當(dāng)風(fēng)速的方向與激光雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡的視向方向相同時(shí)，風(fēng)速產(chǎn)生的多普勒頻移FD為負(fù)，反之為正，因此可以區(qū)分風(fēng)速的大小和方向。為了避免風(fēng)速過(guò)大導(dǎo)致的風(fēng)向混看，頻移條質(zhì)量和多普勒頻移量需要滿(mǎn)足
fm+fp>0(3-1)
若風(fēng)速測(cè)量范圍要求為v=士30m/s，在2550nm波長(zhǎng)時(shí)，根據(jù)多普勒頻移公式可得fp=￥=頭點(diǎn)=38.7MHz
則fm大于38.7MHz即可滿(mǎn)足區(qū)分風(fēng)向正負(fù)的要求，但是為了減少激光器的相對(duì)噪聲和2/f噪聲對(duì)混頻信號(hào)的影響，目前的相于多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)中最常用的調(diào)制為fm為80MHz。
