相干多普勒测风激光雷达研究

合集下载

相干激光测风雷达风场测量技术

ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｈｔｎａｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗｉｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｌｏｃａｔｅｄａｔｈｅｔｔｏｐｏｆｈｅｔｔｏｗｅｒ（１０３ｍｈｅｉｇｈｔ）ａｎｄａａｉｒ
潘静岩，邬双阳，刘果，董光焰，张鹏飞，陈静
（中国电子科技集团公摘要：研发了一套全光纤化相干多普勒激光测风雷达设备，并已作为试验样机应用于ＸＸＸ工程
的风场测量工具之一。
关键词：相干激光测风雷达；相干探测；指标测试
中图分类号：ＴＮ９５８．９８文献标志码：Ａ文章编号：１００７ — ２２７６（２０１３）０７ —１７２０ — ０５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｌ－ｉｆｂｅｒｃｏｈｅｒｅｎｔＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄｈａｄｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｔｏＸＸＸｐｒｏｊｅｃｔａｓａ
第４２卷第７期
ＶＯ１．４２Ｎｏ．７
红外与激光工程
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１３年７月
Ｊｕ１．２０１３
相干激光测风雷达风场测量技术

基于相干多普勒激光雷达的风雨同时探测

第49卷第S2期红外与激光工程2020年11月Vol.49No.S2Infrared and Laser Engineering Nov.2020基于相干多普勒激光雷达的风雨同时探测魏天问1，夏海云1,2*(1.中国科学技术大学中国科学院近地空间环境重点实验室，安徽合肥230026；2.中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心，安徽合肥230026)摘要：多普勒测风激光雷达是一种有效的具有高时空分辨率的遥感测风仪器。

然而，由于雨滴反射的干扰信号，在雨天条件下进行精确的风廓线测量是一个挑战，但是这也为探测降雨提供了一种可能。

在这项工作中，一台垂直指向的1.5μm全光纤相干多普勒激光雷达被应用于风和雨的同时探测。

由于相干多普勒激光雷达能够进行精确的频谱测量，因此在下雨天，它可以同时检测到气溶胶和雨滴的回波信号。

具有速度差异的气溶胶和雨滴的回波信号会导致多普勒频谱出现两个峰值，从而可以根据频谱宽度来识别降雨事件。

通过双高斯模型拟合多普勒频谱，可以获得两个速度，分别为风速和雨速。

与微雨雷达结果的对比验证了多普勒激光雷达探测降雨的能力，同时也降低了多普勒激光雷达在雨天条件下风速的错误探测概率。

关键词：相干激光雷达；遥感；测风；测雨；双峰谱中图分类号：TN958.98文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA20200406Simultaneous wind and rainfall detection usingcoherent Doppler lidarWei Tianwen1,Xia Haiyun1,2*(1.CAS Key Laboratory of Geospace Environment,USTC,Hefei230026,China;2.Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale,University of Science and Technology of China,Hefei230026,China)Abstract:Doppler wind lidar is an effective remote wind measurement instrument with high temporal and spatial resolution.However,due to the interference signal reflected by raindrops,it is a challenge to perform precise wind profile measurements under rainy conditions,but it also provides a possibility for detecting rainfall.In this work,a compact all-fiber coherent Doppler lidar(CDL)operating at wavelength of1.5μm was applied for simultaneous wind and rainfall precipitation detection.Due to the ability of precise spectrum measurement,both aerosol and rainfall signals can be detected by the CDL under rainy conditions.The echo signals from aerosols and raindrops with different speeds will cause two peaks in the Doppler spectrum,so that the spectrum width can be used to identified rainfall events.A two-component Gaussian model was applied to fit the spectrum and two velocities were obtained.The comparison with the results of the micro rain radar verifies the CDL′s ability of rain measurement,meanwhile,the false detection probability of wind speed in the rainy conditions is also reduced.Key words:coherent lidar;remote sensing;wind detection;rainfall detection;two-peak spectrum收稿日期：2020-10-22；修订日期：2020-11-04作者简介：魏天问(1994-)，男，博士生，主要从事相干多普勒激光雷达方面的研究。

多普勒测风激光雷达系统.pdf

49多普勒测风激光雷达系统1.研究背景大气风场信息是一项重要的资源，精确可靠的大气风场测量设备可提高风电可再生能源领域的利用率，改进气候气象学模型建立的准确性，增强飞行器运行的安全性，因此在风电、航空航天、气候气象、军事等领域都有着重要的意义。

风场信息测量的手段主要分为被动式和主动式两大类。

传统的被动式测量装置有风速计、风向标和探空仪，主动式测量装置有微波雷达、声雷达等。

风速计和风向标只能实现单点测量，借助测风塔后实现对应高度层的风场信息检测，这类传统装置易受冰冻天气影响，测风塔的搭建和维护也需要花费大量的人力物力，还存在移动困难和前期征地手续复杂等问题；微波雷达以电磁波作为探测介质，由于微波雷达常用波长主要为厘米波，与大气中的大尺寸粒子（如云、雨、冰等）相互作用产生回波，无法与大气中的分子或气溶胶颗粒产生作用，而晴空时大气中大尺寸粒子较少，因此微波雷达在晴空天气条件下将出现探测盲区。

另外，微波雷达还具备庞大的收发系统也导致其移动困难；声雷达与微波雷达测量原理相似，不同的是将探测介质由微波改为了声波。

声雷达的探测方式使得在夜间和高海拔地区易出现信噪比降低的情况甚至无法测量。

因此，迫切需要补充新型的风场测量手段替代传统测风装置实现大气风场信息的测量。

2. 测风激光雷达系统2015年，南京牧镭激光科技有限公司成功研制出国产化测风激光雷达产品Molas B300，该产品基于多普勒原理可实现40～300 m 风场信息测■ 黄晨，朱海龙，周军南京牧镭激光科技有限公司第一作者黄晨量，风速测量精度可达0.1 m/s ，风向测量精度可达1°，数据更新率为1 Hz ，风速测量范围可达0～60 m/s 。

测风激光雷达定位为外场应用装备，对环境适应性有较高要求，Molas B300可在外界温度范围为-40℃～50℃，相对湿度为0%～100%的环境条件下正常工作。

除此以外，Molas B300体积小质量轻（约50 kg ）方便运输安装便捷，可显著降低项目前期施工时间。

1550nm激光测风雷达相干探测的实验研究

硕士学位论文1550nm激光测风雷达相干探测的实验研究牟志修哈尔滨工业大学2014 年6 月国内图书分类号：TN958.98 学校代码：10213 国际图书分类号：535 密级：公开工学硕士学位论文1550nm激光测风雷达相干探测的实验研究硕士研究生：牟志修导师：陆威副教授申请学位：工学硕士学科：物理电子学所在单位：航天学院答辩日期：2014年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TN958.98U.D.C: 535Dissertation for the Master Degree in EngineeringEXPERIMETAL RESEARCH ON1550nm COHERENT WIND LIDARCandidate：Mou ZhixiuSupervisor：Associate-Prof. Lu Wei Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Physical Electronics Affiliation：School of AstronauticsDate of Defence：June, 2014Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要本论文主要研究了相干激光测风雷达采用光纤接收时，光学系统结构及各参数之间的关系及对系统接收能量的影响，分析了固定焦距的光学系统在目标距离不同时对相干探测的影响，并进行了相关的实验，实验分析了收发合置对探测的影响以及改变光学系统口径和焦距对探测的影响。

本论文的主要内容有：首先，简要介绍了激光测风雷达实现测风的原理、相干探测的基本原理，建立了激光测风雷达方程和信噪比方程，讨论了透射式和反射式天线以及收发合置和分置的优缺点，并利用几何光学分析了物象位置与大小之间的关系。

多普勒激光雷达测风原理

多普勒激光雷达测风原理话说这多普勒激光雷达测风，可真是个新鲜玩意儿，咱今天就来聊聊这背后的原理，保管让你听得津津有味，跟听评书似的。

那天，我站在气象站的观测台上，手里把玩着这小巧的激光雷达，心里琢磨着：这玩意儿怎么就能测出风的速度呢？它不像咱小时候玩的风车，风一吹就呼呼转，这激光雷达可是个高科技产品，得靠点真本事。

咱先说说这多普勒效应，你开车的时候，听见过远处警车的警笛声，有时候感觉声音越来越尖，有时候又越来越低沉，对吧？这就是多普勒效应在作怪，声源和接收器之间有了相对运动，声音频率就变了。

激光雷达测风也是这个理儿，只不过它用的是激光，而不是声音。

这激光多普勒雷达，它发射的激光束被大气中的气溶胶粒子散射，就像咱们在阳光底下能看见灰尘在跳舞一样。

这些气溶胶粒子就像是小小的镜子，把激光反射回来。

可问题是，这些粒子可不是静止的，它们跟着风一起动，这样一来，反射回来的激光频率就变了，这就是多普勒频移。

就像咱们俩站在这儿说话，你一动，我耳朵里的声音就变了个调儿，这激光雷达也是，它一接收到这变了调的激光，就能算出风的速度来。

你说神奇不神奇？但这事儿还没完呢，激光多普勒雷达还得靠个叫做相干探测的技术。

啥是相干探测呢？咱得这么理解，你见过俩水波相遇吧？有时候它们会叠加在一起，形成更大的波，有时候又会相互抵消，啥也看不见。

这激光也是，两束激光相遇，也能产生干涉效应。

激光雷达里头，有一束激光是专门用来当“参照物”的，咱们叫它本振光。

这束光跟反射回来的激光一相遇，就在探测器上产生了干涉，就像俩水波相遇一样。

探测器上的信号一变，咱们就知道，风来了，风速多少，也都算得出来。

说起来，这激光雷达测风，还真得靠点运气。

大气条件得好，气溶胶粒子得够多，要不这激光反射不回来，咱就啥也测不出来。

我就碰见过一回，那天雾蒙蒙的，气象站的人说，这条件正好，激光雷达能测得更远。

嘿，还真别说，那天咱们测得那叫一个痛快，连十公里以外的风都测出来了。

相干多普勒测风激光雷达

相干多普勒测风激光雷达张芳沛;薛海中;胡永钊;沈严;邢宇华;李冬梅;张文平;韩文杰;窦飞飞【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2009(030)006【摘要】In view of Doppler wind lidar has found widespread applications in aerospace, aviation, space-based remote sensing and atmospheric observation, several typical coherent Doppler wind lidars with different bands are introduced in combination with the principle of coherent detection. Some key techniques such as laser transmitter/receiver, space scanning and data processing are analyzed. In addition, the wide prospects of application are expected. The results indicate that we are still lagging behind developed countries in the field of coherent Doppler wind lidar to a great extent though some achievements have been made.%鉴于多普勒测风激光雷达在航空航天、遥感遥测、气象观测等军事及民用领域中的广泛应用,结合相干探测工作原理,介绍了国外几种典型波段相干多普勒测风激光雷达系统,重点分析了激光发射机/接收机、空间扫描、数据处理等关键技术,并对相干多普勒激光雷达的广阔应用前景进行了展望.指出国内相干多普勒测风激光雷达研究已取得的一些重要进展.【总页数】6页(P1045-1050)【作者】张芳沛;薛海中;胡永钊;沈严;邢宇华;李冬梅;张文平;韩文杰;窦飞飞【作者单位】中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南,郑州,450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南,郑州,450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南,郑州,450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南,郑州,450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南,郑州,450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南,郑州,450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南,郑州,450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南,郑州,450047;中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南,郑州,450047【正文语种】中文【中图分类】TN958.98【相关文献】1.CALIOP数据在星载相干多普勒测风激光雷达性能仿真中的应用 [J], 卢博;吴东;张天澈2.非相干多普勒测风激光雷达鉴频算法 [J], 刘延文;孙学金;张传亮;李绍辉3.基于相干多普勒测风激光雷达的不同成因类型的低空风切变观测 [J], 刘晓英;吴松华;张洪玮;何志强;张建军;王筱晔;陈晓敏4.相干多普勒测风激光雷达的频率估计算法 [J], 左金辉;贾豫东;张晓青;李琛5.非相干多普勒激光雷达探测风廓线精度分析 [J], 邵楠;陈玉宝;步志超;韩旭;刘秉义;高玉春因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

1.55 μm全光纤相干多普勒激光测速雷达系统研究

增刊红外与激光工程：激光技术与应用(摘要)309
1．55u m全光纤相干多普勒激光测速雷达系统研究
王建银1，周鼎富2，陈云亮2，陈建国1，陈涌2，孙鹏2，杨泽后2
(1．四川大学光电技术系，四川成都610064；2．西南技术物理研究所，四川成都610041)摘要：设计并实现了一种结构简单的全光纤1．55“m相干多普勒激光雷达系统。

该系统以窄线宽高功率的分布反馈式光纤激光器为光源，偏振无关的光纤环行器为光开关，由光纤准直器和透镜组成收发合一的天线。

利用PI N光电二极管为光电探测器，对取得的外差电信号进行快速傅里叶变换后，得到了带有固体目标纵向运动速度信息的多普勒频谱信号，改变目标的运动速度，明显观察到多普勒频谱信号频率也随之改变。

关键词：相干激光雷达；多普勒测速；全光纤
差分吸收激光测污雷达研究
杨泽后1，周鼎富1，陈涌1，孙鹏1，王建银2，陈云亮1，江东1，候天晋1 (1．西南技术物理研究所，四川成都610041；2．四川大学电子信息学院，四川成都610064)
摘要：对差分吸收测污雷达(D I A L)系统进行了介绍，阐述了差分吸收测污雷达的基本工作原理，并对系统中主要部件的技术参数进行了模拟计算，对雷达系统各分系统及工作流程作了描述，并对雷达系统进行实物仿真及模拟试验。

采用按比例遮挡接收天线和激光透过由塑料袋密封化学物质方法，模拟吸收峰谱线(入O n)的吸收情况，计算出系统侦测到的C L值变化情况。

实验较充分地验证了差分吸收雷达系统的基本工作原理，取得了差分吸收激光雷达关键技术突破，验证了差分激光雷达在对化学物质进行远程侦测的可行性。

关键词：D I A L雷达；测污；捷变频。

激光多普勒测风雷达发射与接收光学系统研究

激光多普勒测风雷达发射与接收光学系统研究发射与接收系统是激光多普勒测风雷达中至为重要的一个功能模块。

本课题通过理论模拟和实验研究对其光学主要参数的选取、同轴调整、光纤耦合调整及其光束准直进行了分析,对提高激光测风雷达的探测距离和接收效率有着重要的意义,是雷达系统鉴频和信号处理的基础和依据。

理论研究包括以下2个方面:通过激光雷达方程、卡塞格伦望远镜模型以及透镜成像理论,结合出射激光的光学参数,提出了出射激光8倍扩束、40cm通光口径卡塞格伦望远镜接收、62.5μm芯径多模光纤耦合的设计要求;基于F-P标准具透过率模型,数值计算分析了光纤出射光束发散角对角度调谐下标准具透过率曲线及其包络、初始工作点选取以及鉴频灵敏度的影响,与实验吻合较好。

实验研究包括以下3个方面:为实现远距离回波信号的探测接收,通过面阵CCD探测器和电控调整架编程实现了发射与接收系统的光学同轴调整,当设定成像质心误差为5个像素时,其光学同轴误差为15.86μrad,此时可通过光子计数器和数据采集卡有效探测接收到9km内的回波信号;为实现回波信号与多模光纤的有效耦合,通过532nm及1064nm激光正反向调整结合对其光路进行了精确调整,由于入射激光参数及调整精度的影响,最佳调整时多模光纤耦合效率为17.54%;对多模光纤传输准直后的回波信号,通过CCD标定法对其发散角进行了精确测量,当CCD 精确放置在长焦距透镜焦点处时,由于CCD质心定位像素误差导致的发散角测量误差为2.73μrad,且该法可实时观测光束在准直调整过程中发散角的变化以及光斑光强分布情况,有利于准直系统的实时调整,在此基础上通过焦距为23.5mm 的短焦距非球面透镜实现了对出射光束的准直,最佳准直情况下发散角为3.25mrad,结合发散角分别为7.34mrad、1.42mrad时F-P标准具角度扫描透过率曲线,得出光束发散角对曲线形状及包络的影响,与数值分析吻合较好,对于自聚焦透镜准直,结合4倍离焦系统可实现2.75mrad的发散角准直,进一步3倍扩束可实现1.09mrad的发散角压缩,与单透镜准直相比,准直效果较好。

相干多普勒测风激光雷达的工作原理

相干多普勒测风激光雷达的工作原理多普勒测风激光雷达是一种利用激光束进行风速测量的仪器。

它基于多普勒效应原理，通过测量激光回波的频率变化来获取风速信息。

在本文中，我将详细介绍多普勒测风激光雷达的工作原理。

多普勒效应是指当一个波源相对于观察者具有运动速度时，观察者会感觉到波的频率有所改变的现象。

根据多普勒效应，当一个物体靠近观察者时，波的频率会增加，而当物体远离观察者时，波的频率会减小。

多普勒测风激光雷达利用激光束发射器发射一束激光束向大气中传播。

当激光束与空气中的气溶胶粒子或颗粒物相互作用时，部分激光能量会被散射回到接收器。

接收器会接收到这些回波，并利用光电二极管将其转化为电信号。

在接收到回波信号之后，多普勒测风激光雷达会利用频谱分析的方法来解析这些信号，并提取出风速信息。

频谱分析是指将信号转化为频域表示的过程。

对于多普勒雷达来说，它会将接收到的回波信号转化为频谱表示，并通过分析频谱的峰值位置和宽度等参数来确定风速。

具体来说，多普勒测风激光雷达会通过比较接收到的激光回波信号与发射的激光信号的频率，来计算出频率差值。

这个频率差值与气体流动的速度成正比。

通过测量频率差值，多普勒测风激光雷达可以获取到风速信息。

在实际应用中，多普勒测风激光雷达可以被用于测量大气中的风速和风向。

它可以提供精确的风速测量，且对于气象、航空、环境等领域具有重要的应用价值。

总结起来，多普勒测风激光雷达的工作原理是基于多普勒效应。

它利用激光束与空气中的粒子进行相互作用，并通过测量激光回波信号的频率变化来获取风速信息。

多普勒测风激光雷达具有高精度、无需要涉及观测通量、有较长的测高范围等特点，因此被广泛应用于气象、航空、环境等领域。

天基相干测风激光雷达技术分析

测能力。激光雷达（ＬｉＤＡＲ）是迄今为止唯一能够直接获得三维风场廓线的测量工具，提出的天基相干多普勒激光雷
达利用光外差探测技术获得激光多普勒频移信息，求取被测对象的径向速度分量，较之传统的非相干激光测风雷达，
ｗｉｎｄｉｅｆｌｄｐｒｏｆｉｌｅｒｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄｃｏｈｅｒｅｎｔＤｏｐｐｌｅｒｗｉｎｄＬｉＤＡＲａｃｃｅｓｓｅｓｔｈｅｔａｒｇｅｔＤｏｐｐｌｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｈｉｆｔａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｓｉｔｓｌｉｎｅ—ｏｆ —ｓｉｇｈｔｖｅｌｏｃｉｔｙｕｓｉｎｇｌａｓｅｒｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＣｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＬｉＤＡＲ，ｉｔｈａｓｔｈｅｐｒｏｍｉｎｅｎｔｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｈｉｇｈｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，
ｏｆｌａｒｇｅ — ｓｃａｌｅｗｉｎｄｉｅｆｌｄ．Ｌｉｇｈｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｒａｎｇｉｎｇ（ＬｉＤＡＲ）ｉｓｔｈｅｓｏｌｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｏａｃｃｅｓｓｔｈｅｔｈｒｅｅ — ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ

相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究共3篇

相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究共3篇相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究1相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究激光测风雷达是一种基于激光干涉原理，用于实现大气风场气动参数快速测量与反演的先进技术手段。

本文将介绍一种相干测风激光雷达系统的设计及数据处理算法研究。

一、相干测风激光雷达系统的设计风场参数反演的精度、可靠性和实时性直接关系到气象预报的准确性。

相干测风激光雷达系统采用一束激光器产生的激光束照射到目标区域中，利用散射光的特性实现对目标中各个高度层次风场参数的测量。

该系统主要由激光发射器、光学系统、探测器、机械结构和信号处理模块等部分组成，其中激光器产生的激光束由光学系统实现照射目标，探测器采集返回的散射光信号并将其转换为电信号，机械结构可以实现雷达的扫描，信号处理模块对采集到的信号进行处理。

二、数据处理算法研究相干测风激光雷达系统采集的数据是获得风场参数的重要依据，因此数据处理算法的设计对于反演结果的准确性有着直接的影响。

本文研究的数据处理算法主要有多普勒谱分析算法、最小二乘法反演算法和平均滤波算法等。

1. 多普勒谱分析算法多普勒谱分析将时域信号转换为频域信号，可以分析目标物体在不同时刻的静态和动态特性，可以有效提取目标物体的速度信息，从而实现风场参数的反演。

该算法通过计算散射光频谱的谱宽来获取目标物体的运动速度信息。

2. 最小二乘法反演算法该算法通过对扫描目标附近某一层数据的最小二乘拟合，计算得到该层的风场参数，从而实现风场参数的反演。

该算法对目标物体反射信号的形态及信噪比等要求较高，但可以有效提高反演的准确性。

3. 平均滤波算法该算法通过对一定范围内数据的平均值进行计算，从而抑制噪声干扰，提高数据的可靠性。

该算法是一种简单有效的数据处理算法，在反演速度场等定量测量中得到了广泛应用。

三、结论相干测风激光雷达系统是一种先进的风场参数反演技术，其数据处理算法的设计是实现精确反演的关键。

相干多普勒激光测风雷达系统研究及验证

相干两种体制，这两种体制各有优缺点。相干激
光雷达探测灵敏度接近于量子噪声极限，具有较
高的信噪比，较低的激光发射功率。相干激光测风雷达通过测量大气风场中运动气溶胶的后向散射来反演大气风场，可以获得非常精确的风场
・激光应用技术・
相干多普勒激光测风雷达系统研究及验证
封治华，杜改丽
（１．中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州４５００４７
２．河南医学高等专科学校，河南郑州４５１１９１）
摘要：介绍了相干多普勒激光测风雷达国内外现状，阐述了其基本原理，给出了风速矢量反
演计算过程，并对相干多普勒激光测风雷达系统方案进行了分析，利用标校塔以及超声波测风
仪等设备进行了风场测量验证实验，获得了８０— ６００ｍ处的风场信息，验证了测风系统的设计
指标。
关键词：多普勒；激光雷达；相干探测
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｓｔａｔｕｓｏｆｃｏｈｅｒｅｎｔＤｏｐｐｌｅｒｗｉｎｄｌｉｄａｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ；ｔｈｅｂａｓｉｃｐｉｒｎｃｉｐｌｅｓａｒｅｅｘ－ｐｌａｉｎｅｄ；ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒｉｎｖｅｒｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｓｇｉｖｅｎ，ａｎｄｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｃｏｈｅｒｅｎｔＤｏｐｐｌｅｒｗｉｎｄｌｉｄａｒｓｙｓｔｅｍａｒｅａｎ — ｌｙａｚｅｄ．Ｗｉｎｄｉｆｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｗｅｒｅｖｅｉｆｒｉｅｄｂｙｕｓｉｎｇｓｔａｎｄａｒｄｔｅａｃｈｉｎｇｔｏｗｅｒｓａｎｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ，ａｎｄ

相干多普勒测风激光雷达关键技术研究的开题报告

相干多普勒测风激光雷达关键技术研究的开题报告一、研究背景多普勒测风激光雷达是一种利用激光束与空气中运动的颗粒相互作用产生的多普勒频移对风速进行测量的仪器。

相较于传统的风温差测法和气压计法，多普勒测风激光雷达具有非接触、高精度、快速响应、高空间分辨率等优势，是目前气象、环境、航空、海洋等领域测风最为重要的手段之一。

目前多普勒测风激光雷达技术不断发展，传统基于脉冲探测的多普勒测风激光雷达已经能够实现千米级别范围内的风速测量。

但由于脉冲探测方式需要采集一定时间的数据以提高信噪比，同时数据采集过程中无法获得空间分辨率，导致该方法在对瞬时风场的测量方面存在一定的局限性。

相干多普勒测风激光雷达则利用相干信号的特性，在一定范围内获得同时具有高精度和高空间分辨率的瞬时风场信息。

相干多普勒测风激光雷达技术的进一步发展将极大地扩展多普勒测风激光雷达的应用范围以及提升风速测量的精度和可靠性。

二、研究内容本课题旨在开展相干多普勒测风激光雷达关键技术研究，具体包含以下内容：1.相干多普勒测风激光雷达原理和基础: 结合光学、光谱学和气象学等多个领域，探究相干多普勒测风激光雷达的基本原理和基础知识，包括激光器、光学元件、探测系统和信号处理等方面的内容。

2.相干多普勒测风激光雷达信号获取与处理: 研究相干多普勒测风激光雷达信号的获取和处理方法，包括激光辐射模型、扫描模式设计、探测信号处理算法等方面。

3.高空间分辨率相干多普勒测风激光雷达: 针对多普勒测风激光雷达瞬时风速分辨率不足的问题，利用空间分辨率技术，实现高空间分辨率的相干多普勒测风激光雷达。

4.相干多普勒测风激光雷达仿真与实验: 利用Matlab等数学仿真工具，对相干多普勒测风激光雷达进行仿真，分析不同参数对信号采集和处理的影响。

同时，设计制作相干多普勒测风激光雷达实验系统，进行现场实验与测试。

三、研究意义1.提升多普勒测风激光雷达对瞬时风场的测量精度和可靠性，推动这一技术的更广泛应用。

相关主题

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

ｔｏｏｐｅｅｌｅｓｄｖｌｐｄＴｈｓｅｕｅｎｉｊｃｉｎｓｅｅｕｓｄＮｄＹＡｌｓｒｓｉｏｒｅｒｐｓｈｒｙｒａｗａｅｅｅ．ｅｙｔｍｓｄａｅｔｏ —ｅｄｄｐｌｅ：Ｇｅｓｕｃ．ｏｓｎａａｔｓ
和部分作为参考信号，进行相应的数据分析；
：
●
…
＿■悠妻柙口｜… ＿－－睢－Ｉ
口．孽謦．
● ｈ
Ｉ
：
Ｉ．ＩｌＩＩ１ … 二翱
ｒ
＿
ｌｌ
时问／１ｌ
图５硬靶速度校正实验（图，硬靶校正外差相干信号；右图，速度测量值与实际速度的对比）左
Ｔｈｏｒｅｈａｕｓｎｒｙｆ０５ｍＪａｄａｐｕｓｒｔｏｆ８ｓｅｓｕｃｄａｐｌｅｅｅｇｏ．ｎｌｅｄｕａｉｎｏ０ａ．Ａｏａｉｎｗｈｅｔａｄｓａｃｒｔｔｏｅｌａｉｔｎｅ００ｍｓｕｅｏｃｒｙｏｔａｈｒ — ａｇｔｓｅｄｃｌｒｔｏｘｅｉｎ．Ｔｈｅｕｔｓｏｄｔａｈｆ４ｗａｓｄｔａｒｕａｄｔｅｐｅａｉａｉｎｅｐｒｍｅｔｒｂｅｒｓｌｈｗｅｈｔｔｅ
文章编号：１７—７５２１）２００—５６２８８（０２００８０
相干多普勒测风激光雷达研究
竹孝鹏刘继桥刁伟峰毕德仓周军陈卫标
（中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海２１０）０８０
Ｋｅｏｄｓｙｗｒ：ｌａ；ｐｐｅ；ｃｈｅｅｔｗｉｄｌａｉｒＤｏｌｒｏｒｎ；ｎｉｒｄｄ
０引言
激光雷达能够在晴空下有效地获得高空间分辨率、高时间分辨率和高精度的大气风速分布信息【，具有十分广泛的应用范围，包括机场测风、大气湍流探测及跟踪、风切变测量、
摘要：制了一套用于大气风速测量的１６研．４０
全固态相干激光雷达系统。该系统
采用种子注入ＮＹＧ脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为０Ｊ，脉冲宽ｄ：Ａ．ｍ５度（ＷＨ为８ｓＦＭ）０。利用４ａ０ｍ处的转轮进行了硬靶速度校正实验（速度测量误差的方差为０３ｍｓ，并对大气视向风速进行了测量（．／）２探测距离可到达４０ｎ。在对系统进０）ｉ行初步优化后，获得了３８０ｎ的视向风速分布曲线。０７ｉ关键词：激光雷达；多普勒；相干；测风雷达中图分类号：Ｔ２９Ｎ４文献标识码：ＡＤＯ：１．６／ｉｎ１７— ８．１．．２Ｉ０９９ｊｓ．２７５０２２０３．ｓ６８２００
信号，第二个脉冲即为硬靶反射的信号。通过比
较两者之间的频率差，就可以得到硬靶的速度。调整转轮的转速，将测得的速度和实际速度进行对比，如图５中的右图所示。图中，点表示测量值，直线表示线性拟合结果。从图５中可以看出，量结果具有较好的线性。其测量的速度测对误差进行统计后得到，其方差为０３ｓ．，系统２ｍ／具有较好的测量精度。
３２视向风速测量实验．
约６５处为建筑的散射信／，该信号同样可．７号＾鹣礤
以作为０风速参考信号。在数据处理过程中，对４个脉冲信号进行频谱累加，计算获得３３０４０ｎ范围内的视向风速分布曲线（离分辨率０ｉ距为６）０ｉ，其结果见图６中的右图。ｎ对于４０以外的信号，其信噪比较低（０ｍ几
测风雷达有直接探测和相干探测两种探测方式
收稿日期ｔ２１— ２２０１１— １基金项目：国家自然科学基金项目（０００６６９８３）作者简介；孝鹏（８－，男，浙江嵊州人，博士研究生，主要从事激光测风雷达方面的研究。竹１０）９
时间／Ｉｌ８
范围／ｍ
图６视向风速测量实验（图，单脉冲波形；右图，３４０ｍ视向风速测量结果）左００
ｈｐ／ｕａｓｐｃｎｈｔ：ｊｒ１ｉ．．／ｗｔ／ｏｎ．ａｃｔ
ＩＦＡＥＭＮＨＹ／ｏ．，ｏ，ＦＢ２１ＮＲＲＤ（ＯＴＬ）ＶＬ３Ｎ．Ｅ２３２０
十个脉冲功率谱累加），并且具有较大的测量误
差。因此，系统需要进一步优化（激光发散角和收发光路对准），以提高探测距离。将发射望远镜调整到和收发光路对准，使用焦距为２ｎ的ｉ透镜和像素大小为５．２的ＣＤ进行校正，并Ｃ使得发射脉冲激光和本振光具有接近的发散角（５ｘｄ；通过接收耦合器将本振光和发４００ｐａ）射激光同时聚焦到ＣＤ上进行对准。同时减小ＣＡＤ量化噪声，将平衡探测器的输出信号放大１０
接收到的气溶胶后向散射信号和稳定的本地振荡光进行混频，而获取信号的多普勒频移。从与直接探测相比，相干探测方式具有信噪比高、探测灵敏度高以及对背景太阳光不敏感等优点，
因此，１．０６、１、１．５岬和２ｐ波长相ｍ．
ＳｔｕｄｙｏｈｅｅｔＤｏｆＣｏｒｎｐｐｌｒＬｉｒＳｙｔｍｅｄａｓｅ
ＺＨＵＸｉｏｐｎＬＩＪ— ｉｏ，ＤＩａ — ｅｇ，ＵｉｑａＡＯｅ—ｅｇ．ＢＩＤｅｃｎ，ＺＨＯＵＪｎＷｉｎｆ —ａｇｕ．ＣＨＥＮＷｅ— ａｉｂｉｏ
倍。
实验中选择在晴朗的夜晚对大气后向散射信号进行测量（１２０年３月５日晚）０，将激光对
准约５０ｎ处的建筑。图６０Ｉ中的左图为单脉冲回
波信号波形。其中，约３处为光学元件的散．１
射光与本振光的拍频信号。以看出，可该信号已经引起探测器饱和。因此，择其边缘未引起饱选
Ｆ－ａｌ；ｅｆｅｓ０８１３．ｏ＿ｍｉｄｉｒ２０＠６ｃｍｉ
ＩＦＡＥＭＮＨＹ／Ｏ．，ｏ２Ｅ０２ＮＲＲＤ（ＯＴＬ）Ｌ３Ｎ．Ｖ３，ＦＢ２１
ｈｐ／ｕａｓｐｃｎｈｔ：ｊｒ１ｉ．．／ｗｔ／ｏｎ．ａｃｔ
（ｈｎｈｉｙＬｂｒｔｒｆｌｏｉｔｔａｅｎｐｉｄＴｃｎｌｇ，ｈｎｈｉｎｔｕｅｏＳａｇａＫｅａｏａｏｙｏ — ｌＳａｅＬｓｒａｄＡｐｌｅｈｏｏｙＳａｇａｓｉｔｆＡｌｓｄｅＩｔ
ｓｓｍａｓｐｅｅｕｅｅｔａｃｒｃｆ．ｓｈｎｔｅｓｓｍａｓｄｔａｕｅｔｅｙｔｈｄｉｅｄｍａｒｍｎｃｕａｙｏ２ｍ／．Ｔｅ，ｈｙｔｗｓｕｅｏｍｅｒｈｅｔｓｓ０３ｅｓ
ｌｅｏ－ｉｈｔｏｐｅｅｗｉｄｓｅｄ．Ｉｓｄｅｅｔｏａｇｓｐｔ０．Ａｆｅｐｉｚｔｏｉ — ｆｓｇｔａｍｓｈｒｎｐｅｎｔｔｃｉｎｒｎｅＷａｕｏ４０ｍｔｒｏｔｍｉａｉｎ，ｔｅｌａｈｉｒｄｓｓｅｂａｎｄｔｅｌｅｏ－ｉｈｎｐｅｉｔｉｕｉｎｉｈａｅｏ０ｍｏ８０ｍ．ｙｔｍｏｔｉｅｈｉ — ｆｓｇｔｗｉｄｓｅｄｄｓｒｂｔｏｎｔｅｒｎｇｆ３ｔ７ｎ
２１年８月２０１０日，在将系统对准空中（无建筑物阻挡）的情况下潮匿了视向风速测量（，进行其卜ｓ分布曲线见图７中的右图）图７中的左图为８０。７
ＯｔｓａｄＦｎｃａｉ，ｈｎｓａｅｆｃｎｅ，ｈｎｈｉ０８０ＣｉａｐｉｎｉｅｃＭｅｈｎｃＣｉｅｅＡｃｄｍｙｏｉｃｓＳａｇａ２１０，ｈｎＪｓＳｅ
Ａｂｓｒｃ：Ａ．６岫ｔａｔ１０４ｐｕｓｄｃｈｒｎｐｌｒｌａｏｏｙｏｅｓｒｎｇｔｅｗｉｈａｎｌｗｅｌｅｏｅｅｔＤｏｐｅｉｒｐｒｔｔｐｅｆｒｍａｕｉｈｎｄｓｅｒｉｏｒｄ
广啊啊ＩＩ嗣盯删Ｉ即ｍ隔