激光雷达测风系统高压电源对激光脉宽稳定性的影响
激光雷达，特别是基于相干探测的多普勒测风激光雷达，已成为大气风场剖面遥感的重要工具。其核心是通过发射极窄线宽、高能量的激光脉冲，并接收大气气溶胶后向散射信号，通过多普勒频移反演风速。系统的测风精度和最大探测距离，高度依赖于发射激光脉冲的质量，其中脉冲宽度（持续时间）的稳定性是一个关键但常被低估的参数。而为激光器（如Nd:YAG激光器的闪光灯或调Q晶体）提供泵浦能量的高压电源，其输出特性对激光脉宽的稳定有着直接且复杂的影响。
在典型的调Q固体激光雷达发射机中，高压电源的核心任务是为泵浦源（闪光灯或激光二极管阵列）储能电容充电。对于闪光灯泵浦，高压电源需要在数十至数百赫兹的重复频率下，将储能电容充电至一个非常精确的电压（通常在千伏量级）。电容上的电能随后通过触发电路释放给闪光灯，产生强烈的光脉冲泵浦激光晶体，再经过调Q（如电光调Q或声光调Q）产生纳秒级的巨脉冲输出。激光脉宽主要由激光腔的参数和调Q开关的速度决定，但泵浦能量的稳定性是其基础前提。
高压电源对激光脉宽稳定性的影响，主要通过两条路径：一是影响泵浦能量的稳定性，二是影响泵浦的时间特性。首先，储能电容的充电电压的重复精度直接决定了单脉冲泵浦能量。如果充电电压存在波动（无论是随机噪声还是与电网频率相关的纹波），泵浦能量就会波动。虽然激光器存在一个阈值，超过阈值后输出能量与泵浦能量大致呈线性关系，但泵浦能量的变化会导致激光上能级粒子数反转密度和增益系数的变化，这可能会微妙地影响调Q过程中激光建立的动力学，最终引起输出脉冲宽度几个皮秒到纳秒量级的抖动。对于要求极高的相干测风雷达，这种脉宽抖动会转化为发射激光脉冲频谱宽度的变化，进而影响本振激光与回波信号外差探测的相干效率，最终降低信噪比和速度估计精度。
其次，高压电源的输出特性会影响泵浦的时间波形，尤其是对于闪光灯泵浦。闪光灯的放电波形并非理想的阶跃函数，其上升沿和脉冲形状受到灯阻抗特性、电路电感以及充电电压的共同影响。充电电压的微小变化，可能改变闪光灯放电等离子体的形成过程，从而改变光泵浦脉冲的上升时间和峰值功率。光泵浦波形的前沿变化，会直接改变激光晶体反转粒子数的积累速率，进而影响调Q开关打开时腔内的初始增益，这同样会干扰巨脉冲的建立过程，引入脉宽和脉冲建立时间的抖动。
为了最小化这些影响，对高压充电电源提出了极高要求。其输出电压的长期稳定度（时漂）和短期重复精度（逐脉冲稳定度）必须优于0.1%甚至0.01%。这通常需要采用谐振充电或精密恒流充电技术，并结合高精度的电压检测与闭环控制。电源的输出纹波必须被压制到极低水平，特别是要滤除与激光重频可能产生拍频干扰的特定频率成分（如100/120Hz的工频及其谐波）。先进的电源会采用全数字控制，对每个脉冲的充电电压进行单独校准和微调。
此外，电源的电磁兼容性设计至关重要。高压开关（如果使用开关模式充电）产生的快速dv/dt和di/dt，会通过空间辐射或传导耦合到敏感的激光器控制电路和调Q驱动器上，可能引起调Q触发时序的微小晃动（jitter），这直接等同于激光脉冲发射时刻的抖动，在相干探测中会引入相位噪声。因此，电源需要严密的屏蔽、滤波和接地设计，关键信号线需采用光纤传输。
在采用激光二极管直接泵浦的固体激光器或光纤激光器中，高压电源的角色可能转变为为LD驱动电路供电。此时，对LD驱动电流源的稳定性要求同样苛刻，其电流纹波和噪声会直接转化为泵浦光功率的波动，并可能通过载流子密度变化影响激光器的频率和相位噪声，其影响机制更为直接。为LD驱动板供电的直流电源，其品质因数同样不容忽视。
因此，在高端激光雷达测风系统的设计中，高压电源已不再被视为一个独立的“能源模块”，而是整个光链路的起点和稳定性的基石之一。对其性能的评估，必须纳入对整个系统相位噪声、谱宽和探测精度的贡献考量中。通过选用或定制超低噪声、超高稳定度的高压充电电源，并优化其与激光头之间的电气和物理集成，可以显著提升激光发射单元的性能，从而为获取更精准、更可靠的大气风场数据提供硬件保障。
