安光所在临近空间大气风场探测新技术上取得进展
时间：2024-12-16 作者：李乘
近日，安光所刘东研究员、吴德成副研究员团队在临近空间大气风场激光雷达探测新技术上取得新进展。该团队利用超窄带单通道法布里-珀罗标准具滤波技术与激光跳频技术，提出了一种适用于瑞利散射多普勒测风激光雷达的鉴频方法，在理论上对该方法中的核心技术参数进行优化设计，并对风速测量误差进行了模拟仿真计算和分析。
相关成果以《瑞利散射测风激光雷达双频比鉴频技术研究》为题，发表在国际知名光学期刊Optics Express上。时威硕士研究生为论文的第一作者，吴德成副研究员为论文的通讯作者。
大气风场是临近空间极为重要的大气环境要素之一。瑞利散射多普勒激光雷达是当前高精度、高时空分辨率探测临近空间大气风场的主要技术手段。鉴频器是瑞利散射多普勒激光雷达中的核心器件，目前主要有双通道或三通道法布里-珀罗标准具和原子/分子滤波器两种技术路线。原子/分子滤波器技术路线只能适用于某些特定波长的激光雷达；法布里-珀罗标准具技术路线对激光雷达工作波长的选择没有限制，但是双通道或三通道法布里-珀罗标准具的技术难度大、成本高，国内相关产品的技术成熟度低，两者都有局限。
因此，针对临近空间大气风场探测激光雷达中的核心鉴频问题，团队提出了用于大气分子瑞利散射回波信号的双频比率鉴频技术，利用低成本、高成熟度的单通道法布里-珀罗标准具作为滤波器件，并联合成熟的激光跳频技术，通过发射和接收两个不同频率的激光脉冲和大气分子瑞利散射回波信号，实现大气风场的探测。通过对双频比率鉴频技术的鉴频灵敏度和系统探测误差进行分析，确定了标准具和激光器最优的技术参数；模拟仿真计算和分析表明，和传统技术相比，此新鉴频技术具有更强的临近空间大气风场探测能力。
团队提出的双频比率鉴频技术中采用成熟的单元技术，可以实现瑞利散射多普勒激光雷达中核心鉴频器件的国产化替代。该鉴频方法还适用于对流层大气风场探测，适用于机载和星载大气风场探测激光雷达中，更好地服务于气象、环境、民航、国防等领域。
该研究获得了中国科学院科技创新重点实验室基金项目和中国科学院合肥物质科学研究院院长基金项目的支持。
论文链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-26-45860&id=565021
双频比率鉴频技术原理示意图