高斯光束特性对激光雷达测量精度的影响深度探讨

本文主要探讨了高斯光束在激光雷达测量中的重要性，特别是在多普勒测风激光雷达中广泛应用的Fabry-Perot Etalon (FPE) 鉴频器的作用及其特性对测量精度的影响。高斯光束的传播特性，如光束质量因数 \( M_2 \) 和输出激光扩束器（MBE）的放大率，显著地决定了激光雷达回波的发散角，这是衡量光束在空间分布上的关键参数。 首先，发散角的变化直接影响到雷达系统的角度分辨率和远场性能。质量因数 \( M_2 \) 越低，光束越集中，发散角越小，但在实际应用中，为了保证足够的探测范围，往往需要使用MBE来增大光束的扩散，这可能导致发散角在远场中增大，从而影响系统的灵敏度和精度。此外，MBE的放大率也是一个关键因素，它决定着激光雷达能否在不同距离上保持稳定的探测能力。 文章特别关注了FPE在风速测量中的响应敏感性，因为FPE作为频率分辨元件，它的稳定性和选择性对激光雷达的频率测量至关重要。随着高度的增加，由于光束发散，FPE的传输特性可能会发生变化，这可能造成系统在远场中的响应变弱，导致风速测量误差相对稳定但整体精度下降。 在近场中，由于FPE的不稳定性，特别是对于质量因数较低和MBE放大率较高的激光，必须进行系统校准，以抵消这些传播特性带来的影响。这包括对光束扩散、FPE响应以及测量噪声等因素的补偿，以确保在各种环境条件下都能实现准确的风速测量。 研究通过数值结果展示了这些影响，并强调了在设计和优化激光雷达系统时，需要充分考虑高斯光束的传播特性，以达到最佳的测量效果。本文的关键词包括风力雷达、Fabry-Perot Etalon、光束质量因数、扩束器放大率、发散角、多普勒效应以及近场和远场性能。 这篇论文为理解和减小由高斯光束传播特性引起的激光雷达测量误差提供了深入的理论分析和技术指导，对提高多普勒测风激光雷达的性能具有重要的实用价值。