激光雷达PPT

• 结论
使用大功率线性偏振全光纤1.5μ m光纤激光应用在远程风速 测量。我们已经使用一种370μ J光纤激光器与SBS去解决过去高 功率放大器。此装置应用在10公里范围的激光雷达风速测量。这 是我们所测量最好最长的范围达到了1.5μ m全光纤风激光雷达在 0.1秒的平均时间。今后的工作将集中在减少ASE的高功率放大器 和减少M²。
激光雷达测风技术
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
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：
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多普勒频移：
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 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）
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激光多普勒测风雷达的分类
• 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
• 实验装置
• 主振荡器是一个低噪声单纵模光纤激光器的。能量的一部分用于 本地振荡器的外差探测。在另一部分,声光调制器是被用作振幅 调制器和移频器。在光纤放大的脉冲放大直到15UJ。在过去的高 功率放大级,带通滤波器用于抑制之前放大器放大自发辐射(ASE)。 • 脉冲能量和峰值功率受限于SBS分别为200μ J和300 W的高功率/ 镱铒大模式区域(LMA)光纤放大器。应用一个最佳的应变分布专 门使用装置的激活光纤以提高SBS阈值。脉冲370μ J(ASE纠正)10 kHz重复频率,820纳秒持续时间和取得了450 W峰值功率。M平方 小于1.3。偏振消光比测量高于20分贝 。 • 这个激光源是集成在我们测风激光雷达。在光路1中光束是平行 于非球面透镜。通过偏振分束器(PBS)和四分之一波片，光束穿 过大气层传播通过望远镜发射和接收。一部分激光束被大气气溶 胶反向散射。反向散射光耦合进入核心的偏振保持单模光纤光路 2。与本地振荡器耦合光混合产生的光检测进行进一步的信号处 理。
• 数据分析
• 左图：风速光谱图
• 右图：为CNR函数范围符合传播的激光雷达方程图。
• 光谱图表明, (CNR)和估计的平均风速是超过1024个脉冲,对 应于0.1秒采集时间用一个简单的质心频率估计方法。完成10公 里以外风速测量的范围在0.1秒的平均时间。这是测量范围较好 的最长达到1.5μ m全光纤测风激光雷达。 • CNR下降到下限-30分贝左右。直到9公里,CNR测量是在好协 议与传播的激光雷达方程。CNR减少也可能被解释成大气动荡或 反向散射系数的减少后的边界限制。事实上,光束不是在大气中 直线传播。 • 此外,另一天测量,在13公里的最大射程达到估计风速平均超过 4096个脉冲时,获取对应0.41秒的时间。
Biblioteka Baidu在后向散射情况下，其多普勒频移：
一种相干探测测风技术
• 1500NM全光纤激光源测量超过10公里范围的风速 对于相干风激光雷达,用1.5μ m参杂的使用镱铒光 纤是为了较好的大气传输。光纤激光器采用峰值功 率在几百瓦的受激布里渊散射(SBS)标准光纤。 激光脉冲发送通过大气和风速测量使用多普勒效应 反向散射激光频移 。