激光雷达测风技术

激光雷达测风技术第一页，共七十一页，编辑于2023年，星期日大气风场数据获得的手段地球表面观测系统地面、海面、风散射仪等，只能提供表面大气层的数据高空单层大气观测系统机载和星载的云图变化的风场推算数据，该方式覆盖范围受限高空多层大气观测系统无线电探空仪和卫星探测器，无线电探空仪能够提供风场的垂直分布情况，但是它主要是在北半球的陆地，很难给出大覆盖范围的观测数据第二页，共七十一页，编辑于2023年，星期日激光雷达测风技术特点优势：（与其它方式比较）空间分辨率高（角分辨率rad量级）时间分辨率高高测量精度（低对流层<1m/s，中高层<3m/s）覆盖范围大（全球范围），适合星载平台全球的分子散射测量：尤其在海洋或南半球气溶胶散射测量：在低大气层和陆地上空劣势：适合晴天工作，大气穿透能力差（不适合雾、雨、雪天）近地面水平作用距离有限（由于大气衰减）第三页，共七十一页，编辑于2023年，星期日非相干DIALCO2脉冲激光器发展二极管泵浦单频可更换恶劣条件长寿命2m1m大气层:低层高层相干测风X3非相干测风OPO泵浦非相干DIALO3高精度高分辨率低对流层和云全球范围中分辨率中精度中高层大气0.30-0.32mm相干海洋、河流表面流速高功率激光测高仪混合型激光雷达0.355mm共性问题全球激光雷达探测战略（1）第四页，共七十一页，编辑于2023年，星期日全球激光雷达探测战略（2）第五页，共七十一页，编辑于2023年，星期日WMO的全球风测量技术指标单位理想要求最低要求边界层对流层平流层低对流层高对流层平流层垂直范围km0-22-1616-300-55-1616-20垂直分辨率km0.10.52.051010风分布数/hour30,000100风分布间距km50>500时间采样hour312测量精度m/s1.51.52555水平积分区域km5050第六页，共七十一页，编辑于2023年，星期日激光雷达测风技术发展趋势工作波段趋向短波长探测方式

相干外差探测

非相干直接探测工作波长10mm2mm1.5mm1.06mm532nm355nm激光器状态CO2激光器Tm:YLuAGTmHo:YAGRaman激光器OPO-Nd:YAGEr激光器Nd:YAG倍频Nd:YAG可见光三倍频Nd:YAG优点宽带探测可调谐本振相干非相干最佳的激光技术硅探测器分子散射探测对象MieMieMieMieMieRayleighMieRayleigh第七页，共七十一页，编辑于2023年，星期日激光多普勒测风雷达的分类直探式（相对强度检测）边缘技术单边缘、双边缘条纹技术环形条纹、直列条纹分子吸收技术I2分子吸收相干式（直接频率检测FFT）外差技术本振光与信号光自差技术多频率发射光本身超外差技术本振光与多频率信号光第八页，共七十一页，编辑于2023年，星期日大气分子或气溶胶散射产生的多普勒频移根据动量守恒和能量守恒定理：大气分子或气溶胶散射产生的多普勒频移：对于前向散射

对于后向散射

第九页，共七十一页，编辑于2023年，星期日原子吸收产生的多普勒频移原子共振吸收频率为：

根据动量守恒和能量守恒定理：多普勒频移为：

原子吸收截面由于多普勒频移而展宽：

第十页，共七十一页，编辑于2023年，星期日对于原子自发辐射有：

根据动量守恒和能量守恒定理：多普勒频移：

自发辐射光子与紊乱光子之间的多普勒频移：

在后向散射情况下，其多普勒频移：

第十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期日相干探测测风技术原理：假设本振光频率fLO、激光脉冲发射频率f0=fLO+foffset、信号回波频率fsig=f0+f，则在光混频后得到和频和差频，即这时探测器只能响应低频部分，即中频信号：散射信号在窄带滤波时变得很强精度：原则上没有偏差测量准确性：不决定于风速第十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期日直接探测测风技术原理：不使用本振光进行解调，直接使用光频鉴频器或光谱分析仪，将多普勒频移转变成光强/光功率的变化，或转化成光强/光功率的空间分布；光频谱分辨仪器主要采用以下三种类型：（1）原子吸收线，例如Na、K和Fe，使用全部共振吸收谱线（2）边缘滤波器，利用分子吸收线边缘发射（如I2吸收线），或光干涉仪（如F-P标准具）边缘发射（3）光干涉仪条纹图像(Fringepatternimaging)（4）主要思路：光强变化率频移径向速度；

光强变化量频移径向速度；

光强空间分布频移径向速度；第十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期日原子吸收线：频率分析器光强变化率与风速和温度变化曲线第十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期日单边缘滤波器：频率分析器第十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期日双边缘滤波器：频率分析器第十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期日条纹图像：频率分析器高分辨率光干涉仪产生空间辐照度分布，亦即代表接收面信号光谱平均频率利用其中一个图样估计，即锁定峰值照度，计算照度分布的一阶统计量，类似于被动干涉仪，利用同心环直径确定频移第十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期日矢量风速反演方法矢量风速V(u,v,w)是少需要三个独立的径向速度估计理想情况下：矢量风速应该在空间某一点同时测量出它的三个方向的速度值，即至少需要三部激光雷达系统实际情况下：确定风场的水平方向，利用激光雷达的扫描技术确定风速的矢量。常用以下两种扫描技术：速度方位显示扫描技术(Velocity-azimuth-display,VAD)，即激光雷达光束以固定倾角进行圆锥形扫描多普勒光束定向摆动扫描技术(Doppler-Beam-Swinging，DBS)，即点激光雷达光束垂直指向并向东倾斜和向北倾斜第十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期日多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；在上部，DRS扫描第十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期日VAD扫描矢量风场反演对于VAD扫描：仰角是常量，方位角是变量，径向速度vR是测量量，(u,v,w)满足下式：径向速度vR可以由v、u和w组成，纬度风速分量usincos,子午线速度分量vcoscos,垂直速度分量wsin,-方位角，向北顺时针，仰角。上式还可表示为：a：补偿量，b:振幅，max周相位移动第二十页，共七十一页，编辑于2023年，星期日第二十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期日DBS扫描矢量风场反演-天顶角VRZ,VRE,VRN

分别是径向速度垂直、东向倾斜和北向倾斜分量第二十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期日改进型DBS扫描矢量风场反演激光雷达波束分别是垂直向、向北、向东、向南和向西VR>0,w>0,u>0,v>0第二十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期日相干激光测风雷达结构Masteroscillator(MO)是稳定单频连续激光器。移频器(AO-M)使发射光束产生固定频偏。后向散射信号与MO混频产生差频信号，其中包含散射体多普勒效应的径向速度。第二十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期日相干激光测风雷达波长选择

原则上，相干激光测风雷达可以选择任意波长，只要其不在共振吸收峰上。气溶胶（米氏散射）散射与分子散射（瑞利散射）相比，在频谱分析上更有优势。分子散射截面与-4成比例，气溶胶散射与-2或+1成比例。优势选择适当的波长，可以同时利用分子散射和气溶胶散射。长波长可以减小分子散射，一般相干激光测风雷达的波长选择在1~11m第二十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期日MOPA与SOPA发射机比较种子注入再生放大和功率放大激光器“SOPAisinjection-seededslaveoscillatorandpoweramplifier”种子激光是低功率的单频连续激光器再生放大器是高功率调Q脉冲激光器主振荡和功率放大激光器MOPAismasteroscillatorandpoweramplifier.对于相干探测，发射机必须有非常窄的带宽（如1MHz）对于脉冲发射，必须有比较长的脉冲宽度，以便改善非常有限的频谱宽度。第二十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期日NOAAmini-MOPACO2CoherentLidar

第二十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期日NOAAHRDL(ASOPALidar)

第二十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期日直接探测激光测风雷达结构发射机:必须是单频激光器（稳频窄线宽），如倍频532nm、三倍频355nm或四倍频266nm;接收机：如果测量精度为1m/s，则频率分辨率=2v/=5.6MHz（对于532nm)第二十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期日激光雷达的后向散射信号光子探测器频率发射激光接收信号多普勒频移信号谱分析仪时间接收信号发射激光卷云大气粒子风矢量激光器天线第三十页，共七十一页，编辑于2023年，星期日时间－空间的对应关系时间t距离r接收信号强度发射激光脉冲卷云tr频率发射激光接收信号多普勒频移信号Dnd第三十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期日后向散射信号的频谱

分子散射谱宽度～3.0GHz

气溶胶散射谱宽度～发射激光谱宽度（约90MHz）第三十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期日双F-P标准具多普勒检测第三十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期日Mie散射和分子散射速度测量中心n10

中心n20

双通道F-P标准具

探测器探测器中心n10

中心n20

双通道F-P标准具

探测器探测器第三十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期日NASA/Goddard车载测风激光雷达参数指标激光器：波长355nm脉冲能量70mJ重复频率50Hz望远镜：口径FOV45cm0.2mrad扫描方式XY双轴半空间测量范围1.8~35km距离分辨率0.25km@<3km1km@>3km第三十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期日MAC地基测风激光雷达参数指标激光器：波长355nm,532nm脉冲能量400mJ重复频率10Hz望远镜：口径50cm扫描方式经纬仪平台测量范围距离分辨率0.5~20km0.25km第三十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期日法国OHP观测站参数指标激光器：波长532nm脉冲能量330mJ重复频率30Hz望远镜：口径FOV450cm0.1mrad扫描方式固定(3＋1)方位测量范围距离分辨率8~55km0.15km第三十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期日ESA/ADM—Aeolus全球激光测风雷达参数指标卫星轨道高度平均400km轨道类型极间太阳同步俯角35有效天线口径1.1m工作波长355nm发射机功率13W@100Hz高度范围(米+瑞利)-1~26.5km(可扩展)垂直分辨率1km(可调)水平积分长度3.5km(可调)信号处理距离50km第三十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期日欧洲航天局的ALADIN计划

ALADIN(AtmosphericLaserDopplerLidarINstrument)

紫外波段激光多普勒测风雷达

2007年发射全球三维风场轮廓测量，满足将来全球观测系统（GOS）的要求进一步研究高级大气模型，对大气进行更深入的分析和研究

2005年12月21日进行首次飞行实验，机载系统的正确性，同时还要采集数据以检验算法。这次的飞行活动，还将为下一次，2007年初更加深入更加全面的飞行实验打下基础。第三十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期日ALADIN工作示意图第四十页，共七十一页，编辑于2023年，星期日ALADIN装调部分照片第四十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期日相干激光多普勒测风雷达（1）

相干激光多普勒测风雷达经历了三个发展阶段：10.6m(CO2)相干激光多普勒测风雷达1.06m(YAG)相干激光多普勒测风雷达2m(Tm:YAG,Tm,Ho:YLF）相干激光多普勒测风雷达第四十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期日技术参数技术指标波长(m)10.6脉冲能量(mJ)10脉冲宽度(ns)2000脉冲重复频率(Hz)100扫描器/望远镜(mm)150距离分辨率0.05径向速度精度(m/s)1最远作用距离(km)4洛-马公司机载CO2相干激光多普勒雷达第四十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期日CLAWS-YAG相干激光多普勒测风雷达技术参数技术指标波长(m)1.06YAG脉冲能量(mJ)1000脉冲宽度(ns)8脉冲重复频率(Hz)10扫描器/望远镜(mm)200径向速度精度(m/s)1最远作用距离(km)271993年CLAWS(CoherentAtmosphericWindSounder)已装备肯尼迪航天中心第四十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期日CLAWS-YAG原理光路图第四十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期日第四十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期日2m相干激光多普勒测风雷达（1）2m相干激光多普勒测风雷达的优势LD泵浦2m激光器，小型化相干激光雷达理想光源之一2m，大气窗口，大气透过率，优于传统的1.06mYAG激光器和10.6mCO2激光器与蓝绿或紫外直探式激光测风雷达相比，2m红外波段，人眼安全(1.4以上)

，军事保密性强脉冲外差体制，较容易能实现高灵敏度、高精度大气风场探测第四十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期日2m激光器的研究现状单掺杂2m激光器（室温，低能量）Tm:YAG（钇铝石榴石）Tm:LuAG（镥铝石榴石）双掺杂2m激光器（低温，高能量）Tm,Ho:YAG（钇铝石榴石）Tm,Ho:YLF（氟化钇锂）激光器Tm,Ho:GdVO4（钒酸钆)Tm,Ho:LuAG（镥铝石榴石）Tm,Ho:LuLF（氟化镥锂）Tm,Ho:KLF；Tm,Ho:GLFTm激光器泵浦Ho激光器第四十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期日室温下LuLF和YLF性能比较反射率LuLFYLF阈值(J)斜率阈值(J)斜率0.980.940.900.820.41240.45470.17310.14850.17760.19310.17310.14850.47270.51620.56530.66370.14510.15180.14760.1114材料阈值(J)斜率一般模式调QLuLF0.610.1220.041YLF0.690.1190.039第四十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期日几种Tm,Ho双掺杂激光物质比较YLF5%Tm,0.5%HoLuAG5%Tm,0.5%HoGdVO43%Tm,0.3%HoLuLF5%Tm,0.5%Ho阈值斜率效率输出能量116mJ7.3%15.7mJ151mJ10.8%20.0mJ151mJ12.1%24.1mJ132mJ12.6%26.8mJ第五十页，共七十一页，编辑于2023年，星期日NASALaRCJirongYU博士的工作第五十一页，共七十一页，编辑于2023年，星期日NASALaRCJirongYU博士的工作第五十二页，共七十一页，编辑于2023年，星期日第五十三页，共七十一页，编辑于2023年，星期日1995年10阵列LD-3.6J22路冷却2002年6阵列LD-3.6J8路冷却2003年6阵列LD-3.6J4路冷却2004年6阵列LD-3.6J第五十四页，共七十一页，编辑于2023年，星期日2m种子激光器技术微腔耦合腔标准具单向环形腔第五十五页，共七十一页，编辑于2023年，星期日2m激光泵浦技术纵向（端面）泵浦技术泵浦光与激光振荡模式匹配能量利用率高，光束质量好耦合效率高，连续泵浦，高重频横向（侧面）泵浦技术耦合光学系统简单泵浦光注入能量大，高能量输出模式匹配不佳，耦合效率低；脉冲泵浦，重频低第五十六页，共七十一页，编辑于2023年，星期日2m激光调Q脉冲技术M4M1M3M2Q-SwitchEtalonTm,Ho:YLF四镜环形腔结构第五十七页，共七十一页，编辑于2023年，星期日2m相干激光多普勒测风雷达1990年美国相干技术公司(CTI)研制出世界上第一台2m相干激光多普勒测风雷达2001年“NOSA”TODWL(TwinOtterDopplerWindLidar)（2001NOSA海军机载）GWOLF(GroundbasedwindObservingLidarFacility)2001年NASA的VALIDAR(ValidationLIDAR)WinTrace（美国CTI相干公司开发的商用机型）JEM-CDL(JapaneseExperimentModule-CoherentDopplerLidar)(NASA与日本航天局国际空间站）第五十八页，共七十一页，编辑于2023年，星期日TODWL相干激光多普勒测风雷达技术参数技术指标波长(m)2.05脉冲能量(mJ)2~3脉冲宽度(ns)500脉冲重复频率(Hz)200扫描器/望远镜(mm)100距离分辨率(m)50~100径向速度精度(m/s)1最远作用距离(km)10~15第五十九页，共七十一页，编辑于2023年，星期日GWOLF相干激光多普勒测风雷达技术参数技术指标波长(m)2.05（人眼安全）脉冲能量(mJ)2-3脉冲重复频率(Hz)500扫描器/望远镜(mm)(±120；±30)/10cm距离分辨率(m)0.5径向速度精度(m/s)0.05风速分量精度(m/s)0.1,30度VAD和LADSA最远作用距离(km)10第六十页，共七十一页，编辑于2023年，星期日VILIDAR相干激光多普勒测风雷达技术参数技术指标波长（m）2.05（人眼安全）脉冲能量（mJ）50-150脉冲重复频率(Hz）5~10扫描器/望远镜(mm)100距离分辨率（m）0.5径向速度精度（m/s）0.05风速分量精度（m/s）0.1,采用30度VAD和