激光雷达测风技术(4)..ppt

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1、激光雷达测风技术（3）,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,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

2、 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）,非相干 DIAL CO2,脉冲激光器发展,二极管泵浦 单频 可更换 恶劣条件 长寿命,2 m,1 m,大气层: 低层 高层,相干测风,X3,非相干测风,OPO,泵浦,非相干 DIAL O3,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,0.30-0.32 mm,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,0.355 mm,共性问题,全球激光雷达探测战略（1）,全球激光雷达探测战略（2）,WMO的全球风测量技术指标,激光雷达测风技术发展趋势,激光多普勒测

3、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,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,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：,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

4、多普勒频移：,在后向散射情况下，其多普勒频移：,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,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

5、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(Fringe pattern imaging) （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；,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,单边缘滤波器：频率分析器,双边缘滤波器：频率分析器,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,矢量风速反演方法,矢量风速V (u, v, w) 是少需要三个

6、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,多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；在上部，DRS扫描,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

7、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vcos cos,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,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,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,相干激光测风雷达结构,Master oscillator (MO)是稳定单频连续激光器。移频器(AO-M)使发射光束

8、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。,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111m,MOPA 与 SOPA 发射机比较,种子注入再生放大和功率放大激光器 “ SOPA is injection-seeded slave oscillator and

9、 power amplifier” 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 MOPA is master oscillator and power amplifier. 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。,NOAA mini-MOPA CO2 Coherent Lidar,NOAA HRDL (A SOPA Lidar),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

10、测量精度为1m/s，则频率分辨率=2v/=5.6MHz（对于532nm),激光雷达的后向散射信号,时间空间的对应关系,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）,双F-P标准具多普勒检测,Mie散射和分子散射速度测量,NASA/Goddard车载测风激光雷达,MAC地基测风激光雷达,法国OHP观测站,ESA/ADM Aeolus全球激光测风雷达,欧洲航天局的ALADIN计划,ALADIN( Atmospheric Laser Doppler Lidar IN strument ) 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

11、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。,ALADIN工作示意图,ALADIN装调部分照片,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 1.06 m(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,洛-马公司机载CO2相干激光多普勒雷达,CLAWS-YA

12、G相干激光多普勒测风雷达,1993年CLAWS (Coherent Atmospheric Wind Sounder) 已装备肯尼迪航天中心,CLAWS-YAG原理光路图,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10.6 mCO2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,2m激光器的研究现状,单掺杂2m激光器（室温，低能量） Tm: YAG

13、（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: GLF Tm激光器泵浦Ho激光器,室温下LuLF和YLF性能比较,几种Tm, Ho双掺杂激光物质比较,NASA LaRC Jirong YU博士的工作,NASA LaRC Jirong YU博士的工作,1995年 10阵列LD-3.6J 22路冷却,2002年 6阵列LD-

14、3.6J 8路冷却,2003年 6阵列LD-3.6J 4路冷却,2004年 6阵列LD-3.6J,2m种子激光器技术,微腔,耦合腔,标准具,单向环形腔,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,2m激光调Q脉冲技术,M4,M1,M3,M2,Q-Switch,Etalon,Tm, Ho: YLF,四镜环形腔结构,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

15、多普勒测风雷达 2001年“NOSA”TODWL (Twin Otter Doppler Wind Lidar)（2001NOSA海军机载） GWOLF (Ground based wind Observing Lidar Facility) 2001年NASA的 VALIDAR (Validation LIDAR) Win Trace（美国CTI相干公司开发的商用机型） JEM-CDL (Japanese Experiment Module-Coherent Doppler Lidar) (NASA与日本航天局国际空间站）,TODWL相干激光多普勒测风雷达,GWOLF相干激光多普勒测风雷达,

16、VILIDAR相干激光多普勒测风雷达,WinTrace相干激光多普勒测风雷达(1),WinTrace相干激光多普勒测风雷达(2),WinTrace原理光路图,WinTrace相干激光多普勒测风雷达(3),雷达系统参数,扫描系统参数,JEM-CDL相干激光多普勒测风雷达,微脉冲相干多普勒激光雷达原理,N 个脉冲积累; 相干积累时间为 T. 分辨率为：t/T,本振光线宽,风向的判别,外差信号：,外差信号正交解调：,低通滤波：,距离多普勒模糊,利用调焦和编码减小速度模糊问题,与距离相关的回波功率,1 detected photon per pulse per range gate Overall system M21.3,多普勒频谱,信号频谱 (4096 脉冲, 0.03s),平均频谱 (24 频谱, 0.8s),高灵敏度相关外差接收技术,灵敏度提高到3dB 本振光功率减小 集成化封装,湍流的切面输出,