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1、 航天学院 激光雷达测风技术（3） 航天学院 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 航天学院 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 0, w 0, u 0, v 0 航天学院 相干激光测风雷达结构 Master oscillator
2、(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。 航天学院 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 航天学院 MOPA 与 SOPA 发射机比较 种子注入再生放大和功率放大激光器 “ S
3、OPA is injection-seeded slave oscillator and 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。 航天学院 NOAA mini-MOPA CO2 Coherent Lidar 航天学院 NOAA HRDL (A SOPA Lidar) 航天学院 直接探测激光测风雷
4、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) 航天学院 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 航天学院 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 t r 频率 发射激光接收信号 多普勒频移 信号 d 航天学院 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90MH
5、z） 航天学院 双F-P标准具多普勒检测 航天学院 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 航天学院 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 FOV 45cm 0.2mrad 扫描方式XY双轴半空间 测量范围1.835km 距离分辨率0.25km3km 航天学院 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
6、50cm 扫描方式 经纬仪平 台 测量范围 距离分辨 率 0.520km 0.25km 航天学院 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 FOV 450cm 0.1mrad 扫描方式固定(3 1)方位 测量范围 距离分辨 率 855km 0.15km 航天学院 ESA/ADM Aeolus全球激光测风雷达 参 数指 标 卫星轨道高度平均400 km 轨道类型极间太阳同步 俯角35 有效天线口径1.1 m 工作波长355 nm 发射机功率13 W100 Hz 高度范围(米+瑞 利) -126.5km (可扩 展) 垂直分辨
7、率1 km (可调) 水平积分长度3.5km (可调) 信号处理距离50 km 航天学院 欧洲航天局的ALADIN计划 l ALADIN( Atmospheric Laser Doppler Lidar IN strument ) l 紫外波段激光多普勒测风雷达 l 2007年发射 l 全球三维风场轮廓测量，满足将来全球观测系统（GOS）的要求 l 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 l 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。 l 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。 航天学院 AL
8、ADIN工作示意图 航天学院 ALADIN装调部分照片 航天学院 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： l 10.6m(CO2)相干激光多普勒测风雷达 l 1.06 m(YAG)相干激光多普勒测风雷达 l 2m(Tm:YAG,Tm,Ho:YLF）相干激光多普勒测风雷达 航天学院 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 航天学院 CLAWS-YAG相
9、干激光多普勒测风雷达 技术参数技术指 标 波长(m)1.06YA G 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) 27 1993年CLAWS (Coherent Atmospheric Wind Sounder) 已装备肯尼迪航天中心 航天学院 CLAWS-YAG原理光路图 航天学院 航天学院 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 航天学院 2m激光器的研究现状 l单掺杂2m激光器（室温，低能量） lTm: YAG （钇铝石榴石） lTm: LuAG （镥铝石榴石） l双
