绪论
当前，国内多普勒测风激光雷达已经发展数年，几大雷达厂商分别经历了从无到有的跨越，现如今，进一步优化激光雷达性能，稳定其品质，提高其精度，显得尤为重要。
脉冲相干式激光雷达自始至终存在一个盲区的问题，激光雷达光学部分通常使用脉冲式光纤激光器，其能量分布呈近高斯波形，由于脉冲激光具有一定的宽度，故导致出现了近距离探测盲区。事实上盲区的问题并不难理解，难的是如何测试盲区，如何提高真实盲区的精度。盲区值的确定，会直接影响激光雷达对不同高度层风场测量的准确性，进而影响到数据的可靠程度。基于此，本课题研究了一种实用、可靠且精度较高的光学盲区测试方法。
一、光学系统
1、光路结构
激光雷达光路结构是由激光放大器，光路系统，探测器和信号处理单元等组成。激光器输出的连续光经过分束后，一部分作为参考光输入耦合器用于拍频；另一部分调制成激光脉冲后进行功率放大，通过望远镜扩束发散到大气中。气溶胶的后向散射信号经过望远镜，与本振光在耦合器处拍频，经过光电探测器转换成电信号。
在光束的发射与接收上采用了收发同路的结构。光路系统是无实焦基本光学系统，主要是对激光进行扩束，如图1－1所示。
图1－1 光路结构示意图
2、主要光学参数
激光雷达使用的是一款光纤脉冲激光器，工作波长为1550nm，高脉冲能量输出，可达100uJ。加之高的偏振消光比，是激光雷达系统的理想元件。
整体来说，光纤脉冲激光器结构很紧凑，性能稳定，易于集成到光学系统中去。本研究所要探讨的盲区，正是由于它的脉冲宽度特性才有来的，没有办法消除，只能通过技术手段降低盲区数值，如减小脉宽等方法，本研究暂不对降低盲区的方法做讨论，只对盲区测试方法和精度提升做讨论。具体使用到的光纤脉冲激光器参数信息如表1－1所示。
表1－1光纤脉冲激光器参数信息表
对此次盲区的研究，重点涉及到的项目是脉冲宽度， 3号粉色线条即为激光器脉冲输出波形，可见其实测脉冲宽度为302.2ns，波形近似高斯分布。实测值如图1-2所示。
图1-2 实测脉冲图
二、 详细测试过程
1、盲区的产生
要想实际测试盲区大小，首先应该明白盲区产生的内在机制。脉冲宽度与近距离盲区的长短有关。如脉冲宽度为500ns，则盲区距离为应该是75m ,这是理论上的最小探测高度。在雷达出光后，近端发出去的光无法回收到气溶胶的散射信号，也就是无法完成与本振光的拍频，故而出现了不可探测区域，也即盲区。对于激光雷达而言，造成其近端盲区的因素除了光学上的盲区外，还有很多，比如电学脉冲前后沿和封闭脉冲的延迟，发射时开关余震的影响，采集延迟等，都会使近距离盲区实际值扩大 [1]。
所谓理论计算的盲区，是把多种干扰因素进行分解，并选取影响最大的因素作为真实盲区的数值。一般而言是比较准确的，但要想将真实的盲区精确到分米级别，只靠理论计算的话，其实是一种美好的假设，对实际的应用没有多大意义。
2、盲区的测量
对于一款最远探测距离为6KM的多普勒测风激光雷达来说，它的理论盲区计算为90米。设计了一种简单的方法实际测试其盲区的数值，探索其真实数值和理论的差异。前文已经了解到，盲区的本质就是因为探测不到近端风场数据才出现的概念，那就基于这种思路进行实验。若将激光雷达直接探测到大气中，因风场远近基本都是均匀的，只能知道哪个是第一个有效信号，但第一个有效信号是多远距离产生的却无法判定，只能粗略认为其位置是90米。所以决定采用在无风场的区域，进行单点模拟风场查找出现实际信号的点，然后使用卷尺测试该点距离雷达出光口多远，就是实际的盲区值了。
地点选取了一段长距离走廊，总直线长度为105.8米，如图2-1所示。
图2-1 测试场地图
将激光雷达运到场地一端，接上电，调整后机器水平，并调好光路准直，要求出光到100米时光斑偏差为10mm以内，如图2-2所示。
图2-2 激光雷达摆放方式图
开启激光雷达，使其出光，并通过调整扫描头角度，使其精确打到预定位置。如图2-3所示。
图2-3 高斯光斑在100米处
调整好光斑后，需要开始模拟风场，此过程需要2到3人协助完成。使用一台大功率风扇对光斑进行吹风，从0米到100米逐渐移动风扇，然后观察第一个信号值是否出现。操作过程如图2-4所示。
图2-4 模拟单点风场
在信号发生板的驱动下，AOM驱动器产生80 MHz的正弦脉冲信号调制连续种子激光产生激光脉冲。在零风场的情况下，是没有频移的，信号仍为80MHz。如图2-5所示。
图2-5 第一个有效信号无频移图
显然，如果风场如果在盲区里，是不会出现频移的，我们观察到的有效信号频移始终仍然是80MHz。随着风场逐渐远离雷达，终于出现了有效信号的频移，频移量约为84 MHz，根据频移与风速的换算关系1m/s的风速会引起1.3MHz的频移[2]，换算成风速约为3m/s，刚好是我们风扇风速的值，也就是说该点到雷达的距离即为真实的雷达盲区。如图2-7所示。
图2-6 第一个有效信号发生频移图
通过测量此时风点到雷达的实际距离得知，其间隔是96.0米，由此，本台激光雷达的真实盲区是96.0米，与理论90米相差了6.0米的距离。
3、盲区可信度验证
通过实际的测试，已经找到真实盲区是96.0米，其可信度如何我们需要进一步分析。采用远距离定点建筑进行验证的方式展开实验。
将设置好实际盲区的激光雷达拉到室外，仍然调好雷达水平角度和出光风向，实验使用了一台分米级精度的外购器件测距仪，通过使用辅助准直红外仪等设备，保证出光位置和测距仪起点完全相同，如图2-7所示。
图2-7 测距仪与雷达
将光斑分别打到远端三个合适距离的建筑物上（考虑到软件对距离的显示为米级，故选取能匹配的上的三个整数距离用于分析），并记录好测距仪的数值，分别是219.0米，222.0米，225.0米，如图2-8所示。
图2-8 雷达距离三个建筑测试图
通过分析载噪比的强反射信号（因为激光打到建筑物会有非常强的反射信号进入到探测器），得到了强反射信号对应的三个距离值。通过利用盲区对横坐标进行反向补偿和换算，发现其盲区值分别是96.6米，95.2米，96.4米，与实际盲区位置分别相差+0.6m，-0.8m，+0.4m，造成误差的原因主要由于测距仪的精度和光路打到的点位的偏离而产生，基本符合测试预期，说明盲区值96.0米的设定是准确可信的，其精度可达到分米级别，如图2-9所示。
图2-9 建筑物反馈信号距离点位
结论
经过一段时间的努力，对于高斯脉冲光学真实盲区的高精度测试实验终于告一段落。从理论分析到方案设计，再到实验落地与反向验证，取得了点滴的成功。
在实验过程中，光路精准控制和模拟高精度风场调试过程颇为耗时。比如，在远距离准直光路时，要达到非常精确的目标是很困难的，可谓失之毫厘，差之千里；再比如，模拟高精度风场过程，要保证风量均匀且以厘米为单位进行精准平移，其中还要保证投影到光路上的风场分量尽量一致，稍有不慎就需要重新来过。通过不断试验调节，终于得到了真实的盲区值，也从反向对其进行了验证，证明了测试值精准有效。
虽然取得了点滴进步，但还有很多问题值得进一步研究，比如，如何缩小理论盲区值与实际盲区值的差异？如何将实际高精度盲区能够更便捷和稳定的测试出来？如何能在实验室小空间小区域完成盲区查找而不必局限于特定环境才能完成？这些，有待于进一步探索好的实验方法，这也是今后继续完善成果的一个工作方向。
参考文献
[1] 胡明宝，张鹏.风廓线雷达测量性能分析［J］.气象科技,2011,39（03）：315-319.
[2] 贾旭东.1.55μm相干测风激光雷达样机的研制[D].合肥：中国科学技术大学,2015.
