平流层飞艇激光风速仪的设计和分析.docxVIP

20220642–1

第52卷第5期红外与激光工程2023年5月

Vol.52No.5InfraredandLaserEngineeringMay2023

平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

杨靖1,2,3，韩於利1,2,3，薛向辉1,2,3，陈廷娣1,2,3，赵一鸣4，孙东松1,2,3

(1.中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽合肥230026；

2.中国科学院近地空间环境重点实验室，安徽合肥230026；

3.安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽亳州233527；

4.北京遥测技术研究所，北京100076)

摘要：准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500mW，积分时间为10s，距离分辨率为100m，分析结果表明，风速误差在500m探测距离内小于1m/s，计算得出的风向误差在风速大于10m/s的情况下，其风向精度优于5°。

关键词：平流层飞艇；激光风速仪；法布里-珀罗标准具；液晶相位延迟器

中图分类号：TN958文献标志码：ADOI：10.3788/IRL0引言

平流层飞艇是一种重要的任务载荷浮空平台，工作高度通常为低平流层(18~22km)，具有长时间高空驻留和低成本运行的优势，在通讯、侦察、大气探测等军用和民用领域都有着广泛的应用场景和巨大的潜力。与地球低轨道卫星相比较，飞艇拥有更大的视场范围，不受轨道高度限制，有利于高精度观测，同时在应急救援、通信和遥感等任务中飞艇比传统的飞行器能提供更强的优势性能[1]。

低平流层区域的空气密度较为稀薄，作为比空气更轻的飞行器，平流层飞艇结构疏松，体型庞大。考虑到地球的转动，当风速随着高度、经度、纬度和季节发生变化时，平流层中纬度地区将会产生强烈的西风，驻留区域的大气风场对飞艇的姿态控制起着不容忽视的关键作用，风场测量对平流层飞艇航行保障是一个非常重要的安全问题[2]。由于平流层飞艇长时间

驻留在20km高度的指定空间区域，通常飞行速度缓慢，传统机载风速计响应时间长，易受环境因素干扰，测量重复性差，对小幅度的风速变化往往不能够精确测量，使得驻空区域高度的风场测量误差较大，无法满足飞艇理论分析和实际控制的需求[3]。

激光遥感技术具有高时空分辨率、探测范围广、快速地精确测量大气风场信息的能力，广泛应用于地基、机载和星载的大气风场探测任务中。在2005年，BrunceGentry等人在美国加利福尼亚州研发了分子直接探测多普勒激光雷达，搭载在飞机上进行机载实验，飞行高度为18km，激光器运行波长是355nm，在晴朗天气条件可实现地面至18km高度的风速廓线探测[4]。2018年8月，欧洲航天局(ESA)顺利发射Aeolus卫星，搭载了基于紫外355nm工作波长的测风激光雷达(ALADIN)，垂直分辨率为250m~2km，可探测地球表面到30km之间的风廓线信息[5]。2014

收稿日期：2022?09?08；修订日期：2022?11?01

基金项目：国家自然科学基金

作者简介：杨靖，男，博士生，主要从事激光遥感方面的研究。

导师简介：孙东松，男，教授，博士生导师，主要从事激光遥感方面的研究。

红外与激光工程

第5期