激光雷达测风技术(4)

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
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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：
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对于原子自发辐射有： 根据动量守恒和能量守恒定理：
ν 中心 20
Etalon 1
Etalon 2
双通道F -P 标准具
Frequency
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NASA/Goddard车载测风激光雷达 车载测风激光雷达
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率 望远镜：口径 FOV 扫描方式 测量范围 距离分辨率
指 标 355nm 70mJ 50Hz 45cm 0.2mrad XY双轴半空间 1.8~35km 0.25km@<3km 1km@>3km
VR > 0, w > 0, u > 0, v > 0
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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。
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相干激光测风雷达波长选择
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矢量风速反演方法
1. 矢量风速V (u, v, w) 是少需要三个独立的径向速度估计 2. 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 3. 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
1. 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。 2. 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。 3. 分子散射截面与λ-4成比例，气溶胶散射与λ-2或λ+1成比例。 4. 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。 5. 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 1~11µm
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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
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单边缘滤波器： 单边缘滤波器：频率分析器
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双边缘滤波器： 双边缘滤波器：频率分析器
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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
Laser
I − IL 1 ν d = ν −ν L = I 0 T ' (ν L )
ν
ν0 ν νL
T2(ν)
T1(ν) I01 Intensity
Backscattered signal IL I02 Laser
νd =
ν
1 I0
I 01 − I L I 02 − I L 1 I 01 − I 02 − & = T1 ' (ν L ) T2 ' (ν L ) I 0 T ' (ν L )
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MAC地基测风激光雷达 地基测风激光雷达
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率 望远镜：口径 扫描方式 测量范围 距离分辨率
指 标 355nm, 532nm 400mJ 10Hz 50cm 经纬仪平台 0.5~20km 0.25km
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法国OHP观测站 观测站 法国
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率 望远镜：口径 FOV 扫描方式 测量范围 距离分辨率
ν01 ν νL
ν02
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Mie散射和分子散射速度测量 散射和分子散射速度测量
Etalon 1 Etalon 2 Mie signal
ν 中心 10 ν 中心 20
双通道F-P 标准具
Rayleigh signal
Frequency
Mie signal
ν 中心 10
Rayleigh signal
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激光雷达测风技术特点
1. 优势：（与其它方式比较） 空间分辨率高（角分辨率µrad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） ）
激光雷达测风技术（ ） 激光雷达测风技术（3）
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大气风场数据获得的手段
1. 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 2. 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 3. 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
Signal Intensity
aerosol signal molecular signal transmitted signal
sunlight
νL
Wavelength
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双F-P标准具多普勒检测 标准具多普勒检测
I I IL T(ν) Backscattered signal
Intensity
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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 ⇐ 工作波长 10µm µ 2µm µ 非 1.5µm µ Raman激光器 激光器 OPO-Nd:YAG Er激光器 激光器 相干 优点 宽带探测 可调谐本振 非相干 激光技术 Mie Rayleigh Mie Rayleigh 相 干 直 接 探 测 ⇒ 355nm ⇒
1 µm
X3
0.355 µm 0.30-0.32 µm
OPO
泵浦
非相干 DIAL O3
高功率激光测高仪
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全球激光雷达探测战略（ ） 全球激光雷达探测战略（2）
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WMO的全球风测量技术指标 的全球风测量技术指标
理想要求 单位 边界层 垂直范围 垂直分辨率 风分布数 风分布间距 时间采样 测量精度 水平积分区域 km km /hour km hour m/s km 1.5 0-2 0.1 对流层 2-16 0.5 30,000 50 3 1.5 50 2 5 平流层 16-30 2.0 低对流层 0-5 5 高对流层 5-16 10 100 >500 12 5 50 5 平流层 16-20 10 最低要求
相
干
外
差
探
测
1.06µm µ
532nm 倍频 Nd:YAG 可见光
激光器状态
CO2激光器
Tm:YLuAG TmHo:YAG
Nd:YAG
三倍频 Nd:YAG
最佳的 硅探测器 分子散射
探测对象
Mie
Mie
Mie
Mie
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激光多普勒测风雷达的分类
1. 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 2. 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 航天学院
上式还可表示为：
a：补偿量，b:振幅，θmax 周相位移动
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DBS 扫描矢量风场反演
VRZ, VRE, VRN 分别是径向速度垂直、东向倾斜和北向倾斜分量
γ-天顶角 天顶角
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改进型DBS扫描矢量风场反演 扫描矢量风场反演 改进型
激光雷达波束分别是垂直向、向北、向东、向南和向西
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激光雷达的后向散射信号
大气粒子
信号 多普勒频移 发射激光 接收信号
风矢量
频率
接收信号 卷云
谱分析仪
发射激光 光子探测器
时间
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时间－ 时间－空间的对应关系
c∆t ct ∆r = , r= 2 2 ∆t - - - 脉冲宽度或采样宽度 t - - - 测量周期
信号 多普勒频移 接收信号
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：
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相干探测测风技术
原理： 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：
指 标 532nm 330mJ 30Hz 4×50cm 0.1mrad 固定(3＋1)方位 8~55km 0.15km
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ESA/ADM— Aeolus全球激光测风雷达 全球激光测风雷达
参 数 卫星轨道高度 轨道类型 俯角 有效天线口径 工作波长 发射机功率 高度范围(米+瑞 利) 垂直分辨率 水平积分长度 信号处理距离 指 标 平均400 km 极间太阳同步 35° 1.1 m 355 nm 13 W@100 Hz -1~26.5km (可扩 展) 1 km (可调) 3.5km (可调) 50 km
发射激光
∆νd
频率
接收信号 强度
∆t ∆r
卷云
∆vd λ, v= 2 ∆vd - - - 多普勒频率
时间 t 距离r
发射激光 脉冲
λ - - - 激光波长
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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）
Zero Doppler shift Doppler shift
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NOAA mini-MOPA CO2 Coherent Lidar
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NOAA HRDL (A SOPA Lidar)
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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δν=2δv/λ=5.6MHz （对于532nm)
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多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；在上部，DRS扫描
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VAD 扫描矢量风场反演
径向速度vR可以由v、u和w组成，纬度风速分量usinθcosϕ,子午线速 度分量vcos θcosϕ,垂直速度分量wsinϕ, θ-方位角，向北顺时针， ϕ 仰角。 对于VAD扫描：仰角ϕ是常量，方位角θ是变量，径向速度vR是测 量量，(u, v, w)满足下式：
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欧洲航天局的ALADIN计划
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MOPA 与 SOPA 发射机比较
1. 种子注入再生放大和功率放大激光器 – “ SOPA 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 2. 主振荡和功率放大激光器 – MOPA is master oscillator and power amplifier. 3. 对于相干探测，发射机必须有非常窄的带宽（如1MHz） 4. 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。
f LO ± f sig
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
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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(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；
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全球激光雷达探测战略（ ） 全球激光雷达探测战略（1）
非相干 DIAL CO2
脉冲激光器发展 2 µm
相干测风 高精度 高分辨率 低对流层和云 相干海洋、 相干海洋、河 流表面流速 大气层: 低层 高层
共 性 问 题
二极管泵浦 单频 可更换 恶劣条件 长寿命
混合型 激光雷达
非相干测风 全球范围 中分辨率 中精度 中高层大气