星载测风激光雷达全光纤相干理论研究

In this project，the space-based wind measurement doppler coherent lidar is regarded as the reseach topic. Innovative research work will be done for development of the basic theory and lidar prototype. A novel spaceborn coherent Doppler lidar system based on single-mode fiber (SMF) components and instruments is analyzed to measure the speed of the global wind. A method of CNR(Carrier-to-Noise)optimization to enhance the performance of lidar is presented. Signal light with Doppler information coupling technology to enhance efficiency is proposed. In addition, the effects of space radiation environment on fiber optical components and systems circuit are discussed.

申请者以星载多普勒相干测风激光雷达为主要研究方向，在我国星载激光雷达领域进行了开创性的工作。理论上讲相干激光雷达是具有量子噪声限的一种探测方式，相干探测的特点及苛刻要求是相干多普勒激光雷达很难应用于卫星平台的主要原因。针对这一问题提出了将全光纤器件光路应用于星载相干激光雷达大气风场检测，为星载测风激光雷达的研制提供了重要的理论与技术支撑。项目对星载全光纤光路相干测风雷达理论与模型、载荷噪声比优化开展了创新研究工作，为星载激光雷达样机研制与卫星搭载飞行试验奠定理论基础。对星载激光雷达光纤器件及光路空间环境适应性进行研究，为激光雷达的工程实现进行技术积累。

提出了全光纤相干探测方案，并按照指标要求对系统进行理论分析和设计计算，该方案解决了分立器件光路光束混频效率和信噪比不高且容易受到温度和震动影响的问题。激光雷达存在传输距离短的缺点，提出了将掺铒光纤放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA）用作全光纤相干激光雷达系统前置光学放大器的解决方法。掺铒光纤放大器可以实现微弱回波信号光在线放大，增大相干系统的探测距离。结合光波导理论讨论了单模光纤对回波信号光的空间滤波特性，耦合进光纤中的回波信号光经过光纤传输后与本振光的模式相同，可实现最佳混频。提高频率分辨率与增大频谱宽度是矛盾的，讨论了提高频率分辨率的选频相位补偿频谱细化算法。光电二极管的响应是非线性，相干探测量子噪声限模式只是一种近似。建立了光电二极管等效电路模型，推导出本振光功率的优化方法，并将其应用于实际设计。