2021年-激光测风雷达

1、1. 大气风场探测的意义和目的 精确的大气风场观测对提高长期天气预报的准确性、 风暴预报的准确性、 改进气候研究模型、 军事环境预报、预报可能的生化武器释放环境以提高国防安全等 方面具有重大意义。 因此国际民航组织、 世界气象组织、 各国航空航天研究机构 正积极开展有关风场探测系统的研究。 在现代军事上， 大气风场围的风场数据可 以提高导弹命中率； 航空母舰上，机群的安全升空和着落都依赖周围大气风场的精 确测量。2. 大气风场测量的主要手段 目前主要的大气风场测量手段有声雷达、微波雷达和激光雷达。一、多普勒声雷达多普勒声雷达是一种测量大气对流层低层常用的遥测手段， 它可以较好地测量 低空由几十米开始到几百米乃至一公里范围内地风廓线， 还可以用于测量折射率结 构常数等湍流参数量廓线。声雷达发射声波后， 接收大气的后向散射信号， 由于大气中气团是随风运动 的，因此，接收的信号和发射信号的频率之间会有多普勒频移。 由于发射波长是以 知的，测量到多普勒频率漂移的大小，就可以得到气团运动速度。二、微波雷达微波风廓线雷达是目前用来测量风廓线的一种主要设备， 它通过发射微波脉 冲，探测大气中湍流涡漩

2、对微波后向散射或待测大气中的云、 雨、冰或其它降水粒 子等运动粒子的回波信号的多普勒频移来反演大气风廓线， 并由它的回波功率可以 反演折射率结构常数的廓线， 其波长较红外和激光长许多倍， 因而受大气的影响 小得多，是目前主要应用的风速测量的系统。三、测风激光雷达测风激光雷达是以激光器为光源向大气发射激光脉冲， 接收大气（气溶胶粒子 和大气分子 ）的后向散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风 速的，从探测方式上可以分为相干探测激光雷达和非相干探测 （直接探测） 激光雷 达。3. 激光大气风场遥感的原理（1）光的多普勒效应当光源和观测者相对运动时， 观测者接收到的光波频率不等于光源频率， 这 就是光的多普勒效应。光多普勒效应与声音多普勒效应本质上是不同的，声波依赖 于介质传播，而光波不依赖于任何介质传播。对于任何惯性系，光在真空中传播 速度都相同，所以，光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对运动的 速度，下面按照狭义相对论的观点对光学多普勒效应进行分析。oR 竈h U图1.光多普勒效应示意图设观测者D固定在惯性系K中的O点，单色光源S固定在另一惯性坐标系K 中，K 系

3、相对于K系沿x轴以速度v运动，光源S位于y轴上某点，速度v 和观测者D到光源S的连线夹角为B，而B角会随时间的改变而变化，如图1所 /示O相对于K 系静止的光源从K 系的t1 时刻开始发出一列光波，这个波列 的发射截止时间为t2 ，于是K 系中此波列发射的时间为t. -t1 ，在这段时间 内发射的波数为N，则光源频率为：(1)Vs=5-,在观测者坐标系中K看来，此波列发射于t时刻，相应这一刻光源位于 S 处，见图1，此波列以光速向观测者传过来，传到观测者的时间是r1所以接收到这波的时刻是/c,冷=勺半ri / c在K系中来看，该波列发射截至于t时刻，相应这一时刻光源位于图中处，从t到t这段时间内光源沿轴向移动了v(t 2。设2- 很小，-t) t以至于这段时间内9角基本保持不变。因此2)S2即t.r2 = r1 +(tq )cos3)t,时刻光源发出的光波传到观测者的时刻为r/ c t? 1 r/ - cv4)观测者D接收到这N个波列共用的时间为21 2根据时间相对性E(t t )cos/ c (t t1)(11-1v cosC)观测者接收的频率为VD而Vs=式中，55coS c) (

4、t - tp(1 v coS / c)v / cVs1 v cos1 / cv是光源和观测者之间相对速度的绝对值,VD线方向上的投影。这就是光学多普勒效应公式。由于幕级数展开式，只取前两项，即得:VDc v cos-(2)激光多普勒风场遥感原理vcos 9是相对速度v/c 一般很小，对上式只取K.rK.图2.激光多普勒测风原理多普勒测风激光雷达是利用光的多普勒效应，测量激光光束在大气中传输其回 波信号的多普勒频移来反演不同高度处的风速分布。激光具有单色性、相干性强 的特点，而且波长较短，因此利用气溶胶的后向散射光，就能够获得足够强的多 普勒测风信息，有利于探测微风速，具有较高的测风精度。若大气气溶胶散射粒 子相对于光源运动，则所接收气溶胶辐射的散射光频率不仅取决于照射光的频率， 而且还与气溶胶散射粒子相对于光源的运动速度、运动方向有关。根据公式（9） 可以表示为(10)式中i为照射光方向的单位矢量，c为光速。此时双端多普勒测风激光雷达所接 收气溶胶粒子辐射的散射光波长为：cv s(11)Vd式中s为散射光方向的单位矢量。因此，散射光频率可表示为c c c v i(12)(13 )v=严

5、匸二)入入c - v二sV v v c( c v - i 1)= D入 c - v - s式中v为照射光频率，即激光频率。由于风速远小于 c，上式可简化为式中kS和E分别为散射光和照射光的波矢量,它们与单位矢量S和i之间有关系式：(15)(16 )如图2所示，利用散射光的频移Av D，即可根据式（14求得沿方向上 的风速分量，通常采用多普勒测风激光雷达测风，这是激光雷达接收的是大气和气溶胶粒子的后向散射光，因此有，于是式（14可以简化为： v . kV（17）31在此情况下，根据激光多普勒测风原理探测的是径向风速分量。设Vr为径向风速分量，于是上式可表示为：2vr VD 二-（18 ）式中取正号表示径向风速分量的方向与气溶胶粒子的后向散射光方向一致， 取负号则表示径向风速分量的方向与激光发射方向一致。4. 激光雷达的设计波长选择 2 pm的相干激光雷达在低大气层具有高测量精度，2 um系统 从性能和技术的成熟角度都代表了相干系统的最佳配合。所以本设计也选用2um作为工作波长。探测方式相干探测。它是利用外差探测技术，来获取大气中气溶胶或分子的群速即风场信息，在所获得的数据基础上，反演出大

6、气的风场信息，具有很高的测风精度和极强的晴空探测能力。因为相干激光测风雷达空间分辨率极高，所以具有极强的“晴空”探测能力。系统结构 相干激光测风雷达系统由发射机和接收机两部分组成，如图3所示。发射机由脉冲信号源、激光器、发射光学天线等部分组成，接收机由接收 光学天线、滤光器、探测器、信号处理电路、显示等部分等组成。发射机脉冲信号海%激光器信巧处理.电路冃信时处理电賂滤光器接收光学犬线接收机图3激光雷达工作示意图相干激光测风雷达原理【周Q溫比放人器ADM-foAOM/i fl打描盼直0阳+ f0+ Af参考信号回波信外fReTAOM仃1；处理讣算机控制图4.相干激光测风雷达系统示意图为了得到较大的输出功率，系统采用的是本振光加放大级的方式，激光器提 供了频率稳定度较高的本振光输出，同时分出一束激光作为种子光注入脉冲激光 放大器中进行调Q和放大，这样就得到功率较大的激光脉冲输出。放大级输出 的激光脉冲经分束器分出一部分与经过声光调制后的光信号混频，这样只有声光 频率作为参考光到参考光探测器，而大部分激光此时经过声光调制器后，为发送 状态的光学收发开关后， 发送到卡塞格伦天线和扫描器。 发射的激光脉冲经气溶胶 或大气分子后向散射后被天线接收， 此时被处于接收状态的光学收发开关， 与本振 光进行混频后， 这时回波信号频率只有声光调制的频率与大气回波的多普勒频移； 回波信号和参考信号进行混频，进行光外差探测后，再经过信号处理，可以得到发射 激光由于气溶胶或大气后向散射而导致的多普勒频移。激光器参数： 波长 2050nm脉冲能量 20mJ脉宽 500ns重复频率 500Hz发射天线有效孔径 30cm外差效率 0.6接受系统参数： 探测器类型 PbS 光伏探测器峰值波长 2卩m灵敏度 10-14 J信号处理系统参数： 采样频率 200MHz接受带宽 70MHz

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