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随着激光器件和激光技术的迅猛发展,20世纪90年代,直接探测多普勒测风激光雷达在美国、欧洲以及亚洲许多国家越来越有吸引力。它既可以利用气溶胶散射,也可以利用分子散射来测量多普勒频移,适用于全球风场探测。种子注入的稳频激光器和厚度调谐的F-P标准具鉴频设备是传统测风激光雷达中的关键器件。但是不足之处在于价格昂贵、加工困难,且对环境要求苛刻。针对这些问题,本文提出了采用基于被动调Q折叠腔激光器与角度调谐F-P标准具鉴频设备为基础的直接探测多普勒测风激光雷达系统,并从理论和实验两方面展开研究。理论上,1.采用单次散射激光雷达方程,对米散射微分截面、回波信号功率及其频谱进行了模拟仿真研究,结果表明,波长为1064nm的激光在大气中的气溶胶-分子后向散射比约为532nm和355nm激光波长的4-6倍,适合作为米散射激光雷达的光源;2.从理想的F-P标准具透过率函数出发,采用递推的方法得到带有高斯缺陷的F-P标准具模型,并利用该模型研究了激光入射角和发散角对其透过率曲线半高全宽的影响,结果表明,对于自由光谱区为5GHz,精细度约为11的F-P标准具,激光入射角为2mrad时,测风灵敏度约为0.3%/(m/s),与实验结果相吻合;3.通过高斯分布的激光与带有高斯缺陷F-P标准具透过率模型的卷积,建立了基于角度调谐的F-P标准具透过光强的数学模型。利用此模型数值计算了角度调谐步进角、标准具缺陷、半高全宽、接受孔径,以及测风动态范围和信噪比等参数对测风误差的影响,结果表明通过合理选择参数,可以使测风误差影响小于1m/s。实验上,1.研制了一台采用扭摆腔、F-P标准具和光栅选频的基横模、单纵模被动调Q的折叠腔结构的Nd:YAG激光器,其输出参数分别为:波长1064nm,脉冲宽度20ns,重复频率10Hz,振荡级单脉冲输出能量8.8mJ,横模为TEM00模,近场及远场的发散角分别为1.442mrad和1.315mrad,相应的M2值分别为1.32和1.31。借助多光束干涉和傅立叶分析的方法测得单纵模概率大于99%,长期频率稳定度优于10-7;2.研制了基于F-P标准具和一个特殊分光棱镜的角度调谐频率鉴别系统:鉴频F-P标准具自由光谱区为5GHz,精细度为11.48,机械角度调谐精度为36μrad,设计并采用一个特殊的光学分光棱镜后,可以将夹角调谐精度提高提高1-2个数量级;3.设计、建立了基于角度调谐F-P标准具的实验室激光测速系统,并进行了测速实验研究。测量获得配合目标的速度变化趋势与实际吻合,且双边缘技术的测量灵敏度是单边缘的1.74倍。