一種對高斯脈沖光學盲區實際測量方法的研究

付廷正

（北京怡孚和融科技有限公司，北京 100094）

當前，國內多普勒測風激光雷達已經發展數年，幾大雷達廠商實現了從無到有的跨越，現今進一步優化激光雷達性能，穩定其品質，提高其精度，顯得尤為重要。

脈沖相干式激光雷達自始至終存在一個盲區問題。激光雷達光學部分通常使用脈沖式光纖激光器，能量分布呈近高斯波形。脈沖激光具有一定的寬度，導致出現了近距離探測盲區。盲區值的確定，會直接影響激光雷達對不同高度層風場測量的準確性，進而影響到數據的可靠程度。基于此，研究了一種實用、可靠且精度較高的光學盲區測試方法。

1 光路結構

激光雷達光路結構由激光放大器、光路系統、探測器和信號處理單元等組成。激光器輸出的連續光經過分束后，一部分作為參考光輸入耦合器用于拍頻，另一部分調制成激光脈沖后進行功率放大，通過望遠鏡擴束發散到大氣中。氣溶膠的后向散射信號經過望遠鏡與本振光在耦合器處拍頻，經過光電探測器轉換成電信號。

在光束的發射與接收上采用了收發同路的結構。光路系統是無實焦基本光學系統，主要是對激光進行擴束，如圖1 所示。

2 主要光學參數

激光雷達使用的是一款光纖脈沖激光器，工作波長為1 550 nm，高脈沖能量輸出，可達100 μJ。

整體來說，光纖脈沖激光器結構緊湊，性能穩定，易于集成到光學系統中。所探討的盲區正是由于它的脈沖寬度特性才有的，無法消除，只能通過技術手段降低盲區數值，如減小脈寬等方法。研究暫不對降低盲區的方法做討論，只討論盲區測試方法和精度提升。具體使用到的光纖脈沖激光器參數信息，如表1 所示。

表1 光纖脈沖激光器參數信息表

3 號線條即激光器脈沖輸出波形，可見實測脈沖寬度為302.2 ns，波形近似高斯分布，如圖2 所示。

3 詳細測試過程

3.1 盲區的產生

脈沖寬度與近距離盲區的長短有關。如果脈沖寬度為500 ns，那么盲區距離應該為75 m，是理論上的最小探測高度。在雷達出光后，近端發出去的光無法回收到氣溶膠的散射信號即無法完成與本振光的拍頻，會出現不可探測區域即盲區。對于激光雷達而言，造成其近端盲區的因素除了光學上的盲區外還有很多，如電學脈沖前后沿和封閉脈沖的延遲、發射時開關余震的影響、采集延遲等，都會擴大近距離盲區實際值[1]。

所謂理論計算的盲區，是把多種干擾因素進行分解，并選取影響最大的因素作為真實盲區的數值。一般而言是比較準確的，但要想將真實的盲區精確到分米級別，只靠理論計算對實際的應用意義有限。

3.2 盲區的測量

對于一款最遠探測距離為6 km 的多普勒測風激光雷達來說，它的理論盲區計算為90 m。本文設計了一種簡單的方法來測試其盲區的真實數值和理論差值。盲區是因為探測不到近端風場數據，所以基于這個思路進行實驗。若將激光雷達直接探測大氣，因風場遠近基本都是均勻的，只能知道哪個是第一個有效信號，但無法判定第一個有效信號是多遠距離產生的，只能粗略認為位置是90 m。所以，決定采用在無風場的區域進行單點模擬風場，查找出現實際信號的點，然后使用卷尺測試該點距離雷達出光口多遠，即實際的盲區值。

地點選取了一段長距離走廊，總直線長度為105.8 m。將激光雷達運到場地一端，接上電，調整后機器水平，并調好光路準直，要求出光到100 m 時光斑偏差為10 mm 以內，如圖3 所示。

調整好光斑后，需要開始模擬風場，此過程需要2 ～3 人協助完成。使用一臺大功率風扇對光斑進行吹風，從0 ～100 m 逐漸移動風扇，然后觀察第一個信號值是否出現，操作過程如圖4 所示。

在信號發生板的驅動下，AOM 驅動器產生80 MHz的正弦脈沖信號調制連續種子激光產生激光脈沖。零風場的情況下是沒有頻移的，信號仍為80 MHz。隨著風場逐漸遠離雷達，出現了有效信號的頻移，頻移量約為84 MHz。根據頻移與風速的換算關系，1 m·s-1的風速會引起1.3 MHz 的頻移[2]，換算成風速約為3 m·s-1，是風扇風速的值，即該點到雷達的距離即為真實的雷達盲區，如圖5 所示。

通過測量此時風點到雷達的實際距離得知，其間隔是96.0 m。本臺激光雷達的真實盲區是96.0 m，與理論90.0 m 相差了6.0 m 的距離。

3.3 盲區可信度驗證

通過實際測試找到真實盲區是96.0 m，下面進一步分析其可信度，具體采用遠距離定點建筑進行驗證的方式展開實驗[3]。

將設置好實際盲區的激光雷達拉到室外，仍然調好雷達水平角度和出光風向，實驗使用了一臺分米級精度的外購器件測距儀。通過使用輔助準直紅外儀等設備，保證出光位置和測距儀起點完全相同。

將光斑分別打到遠端3 個合適距離的建筑物上，并記錄好測距儀的數值，分別是219.0 m、222.0 m、225.0 m，如圖6 所示。

通過分析載噪比的強反射信號，得到了強反射信號對應的3 個距離值[4-5]。通過利用盲區對橫坐標進行反向補償和換算，發現其盲區值分別是96.6 m、95.2 m、96.4 m，與實際盲區位置分別相差+0.6 m、-0.8 m、+0.4 m。造成誤差的原因主要是測距儀的精度和光路打到的點位的偏離而產生，基本符合測試預期，說明盲區值96.0 m 的設定是準確可信的，精度可達到分米級別，如圖7 所示。

4 結語

實驗過程中，光路精準控制和模擬高精度風場調試過程頗為耗時。比如：在遠距離準直光路時，要達到非常精確的目標很困難；模擬風場過程中，要保證風量均勻且以厘米為單位進行精準平移，同時要保證投影到光路上的風場分量盡量一致。通過不斷試驗調節，終于得到了真實的盲區值，也從反向證明了測試值精準有效。如何縮小理論盲區值與實際盲區值的差異，以及如何更便捷和穩定地測試實際高精度盲區，有待于進一步探索，是今后努力的方向。