直接探测多普勒测风激光雷达

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激光雷达测风技术(4)

航天学院
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
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 )
ν 中心 20
Etalon 1
Etalon 2
双通道F -P 标准具
Frequency
航天学院
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

基于双FP标准具的直接探测测风激光雷达

直接探测方法中，边缘技术将激光出射频率锁定在鉴频器陡峭边缘上，因而较小的频移将导致较大的信号强度变化１２ｌ。双边缘技术足边缘技术的有效改进：一方面承袭了单边缘技术的优点；另一方面提高了测量灵敏度并且可以分别反演同波信号中的瑞利和气溶胶成分，从而能够消除瑞利背景噪声的影响１３ｌ。
文中简要回顾了双边缘测风技术，描述了测风激光雷达的系统结构与系统控制，给出了风场观测结果。
第３５卷，增刊
Ｖ０１．３５Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ
红外与激光工程
ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２００６年１０月
０ｃｔ．２００６
基于双Ｆ—Ｐ标准具的直接探测测风激光雷达
夏海云１一，孙东松２，沈法华２，董晶晶２，钟志庆２，王邦新２，周小林２，李颖颖２
（１．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京１０００８３：２冲国科学院安徼光学精密机械研究所，安徽合肥２３００３１）
增刊
夏海云等：基于双Ｆ—Ｐ标准具的直接测风激光雷达
响应函数为：
砌）＝焉乙（ｕ）
（５）
式中：ｒｌｐ）、乞（ｕ）分别为气溶胶信号对应于双通道Ｆ－Ｐ标准具的透过率。测量灵敏度ｐ定义为单位速度引
起的系统响应函数的相对变化：
ｐ：上坚：土韭一上堕
（６）
户’ｄｕ
ｆｌｄＤ
ｄｕ
ｆ２
当采用光子计数探测方式时，暗计数噪声很小，夜间信号主要受自身最子涨落的影响。基于大气气溶胶
受雷雨天气影响，１２：４０时的有效探测高度为１．７ｋｍ，１２：５０的有效探测高度仅为１．５ｋｍ。从比较结果米看：１２：４０时，激光雷达测得的水平风速和风向与风廓线仪测得结果较一致。然而１２：５０时，在Ｏ．８～１．３ｋｍ高度，两者测得的风向偏差较大。这可能是两者的时间分辨率不同引起的：测风激光雷达完成‘个周期扫描的时间为４．５ｍｉｎ（每个径向３０００发脉冲累计），风廓线仪的时间分辨率为ｌＯｍｉｎ，若在这段时ｌ’ⅡＪ内发生低空

基于双Fabry—Perot标准具的双边缘测风激光雷达系统

基于双Fabry—Perot标准具的双边缘测风激光雷达系统【摘要】本文明确了全球大气风场观测的重要性，较为详细地介绍了测风的基本原理、基于双Fabry-Perot标准具的双边缘测风激光雷达的系统结构和技术参数。

明确了测风系统回波数据的处理方法及风速测量的误差计算。

该风速反演方法和误差估算方法的可行性已经被实验验证。

【关键词】激光雷达；风速反演；Fabry-Perot标准具；直接探测0 引言大气风场是气象学研究、气候研究和大气科学中最重要的参数之一。

高精度、高分辨率的全球大气风场观测在气象研究、天气预报、大气环境监测和国防高技术战略战术武器系统的气象保障、靶场气象条件检测等方面都具有广泛的应用。

与其它风场测量手段相比，直接探测多普勒测风激光雷达是目前唯一能够实现对全球范围的三维风场进行高精度、高时空分辨率探测的工具。

而基于Fabry-Perot 标准具的双边缘技术是迄今最成熟、最有效的直接多普勒探测方法，它能够实现从地面到平流层范围的风场探测。

1 多普勒测风激光雷达概述多普勒测风激光雷达属于主动测量系统，它向大气发射激光脉冲并测量不同高度上返回信号的多普勒频移，从而实现对大气风场的观测。

多普勒频移是散射物体沿激光雷达径向的相对运动产生的，对应于测量体积的平均速度。

测量体积是由最大积分长度、高度分辨率和激光束宽度决定，并沿预定的不同方向上交替地连续测量。

激光雷达探测的回波信号主要来自于大粒子的米散射和大气分子的瑞利散射。

对于米后向散射，多普勒频移光的散射谱近似等于发射激光的频谱，只是由于在测量体积内风的变化会有略微的展宽；对于分子散射，空气分子的布朗运动是主要的散射谱展宽原因，其宽度相当于风速为几百米/秒的多谱勒频移，因此平均空气运动产生的多普勒频移只占谱宽的一个非常小的部分，这比气溶胶散射小很多。

所以在相同径向速度情况下分子散射需要更大的信号，但是分子散射信号与气溶胶散射相比波长依赖关系不同。

分子散射与波长的四次方的倒数成正比，而气溶胶散射则近似与波长的1.3次方的倒数成正比，所以分子散射在短波长有较大的信号强度，而气溶胶散射则在长波长的信号较强。

基于Fabry-Perot标准具的多普勒测风激光雷达

ＺＯＧＺｉｉｇＳＮＤｎ－ｎ，ＮａｇｘｎＸＡＨｉｙｎＤＮＧＪｇｊｇＨＮｈ－ｎ，ＵｏｇｓｇＷＡＧＢｎ－ｉ，Ｉａ－，Ｏｉ－ｎ，ｑｏｕｎｉ
ＺＨＯＵａｌ．Ｘｉｏ－ｎＺＨＯＵｕｎｉＪ
测了对流层三维风场分布。绍了多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数，为详细地叙述了各介较
部分的结构及其功能，并给出了合肥地区对流层径向风速的初步探测结果。结果表明。该激光雷达系
统性能稳定，晚的探测高度可以达到９ｋ夜ｍ。
维普资讯
第３５卷第６期
Ｖ０．５Ｎｏ６１．３
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒｇｎｅｉｇｎｒｒｄａｄＬａｅｉｅｒｎＥｎ
２００６年ｌ２月
Ｄｅ．Ｏ６ｃ２Ｏ
基于ＦｂｙＰｒｔ准具的多普勒测风激光雷达ａｒ－ｅｏ标
关键词：激光；雷达；风；多普勒；ＦｂｙＰｒｔ准具ａｒ－ｅ标ｏ
中闺分类号：Ｎ９８２Ｔ５．文献标识码：Ａ文章编号：０７２７（０６０ — ６７０１０ — ２６２０）６０８ — ４
Ｄｏｐｅｎｄｒｂｓｄｏａｒ－ｒｔｅａｏｐｌｒｗｉｄｌａａｅｎＦｂｙＰｅｏｔｌｎｉ
ａｏｔ９ｋｎａｉｈ．ｂｕｉｔｎｇｔＫｅｒｓｉａ；ＷｉｄＤｏｐｅ；ＦｂｙＰｒｔｅａｏｙｗｏｄ：Ｌｄｒｎ；ｐｌｒａｒ－ｅｏｔｌｎ

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。

科技成果——激光测风雷达

科技成果——激光测风雷达技术开发单位中国兵器工业集团公司第二〇九研究所技术简介激光多普勒测风雷达是利用大气中随风飘移的气溶胶对激光散射的多普勒频移效应，来测量大气风场结构分布的一种现代光电技术。

其主要特点是采用光学方法，对测量空域的大气风场进行非接触式实时三维测量，具有响应快、精度高、空间分辨率高、体积小、结构紧凑等特点，在风力发电站、短期气象监测及预报、大气环境监测等方面具有广泛的应用前景，是一种新型、高效的气象条件测量系统。

激光多普勒测风雷达采用相干探测原理，利用人眼安全的1550nm激光作为照射光源，通过接收激光束对大气中随风飘移气溶胶的散射回波信号并与雷达本振光进行相干混频，并通过中频信号的数字鉴频技术来获得汽溶胶相对激光束的多普勒频移，结合雷达的光机扫描，最终实现对大气风场信息的测量。

该技术包括系统总体技术、激光发射技术、高效灵敏接收技术、大气风场实时信息处理及风场反演技术等。

上述关键技术已经得到突破，系统中的主要核心部件均已实现国产化。

该技术可用于风力发电站行业，代替传统的测风塔，实现对风机选址地点的常年观测，同时，还可以安装于风机机舱顶部，实现对风机前方大气风场的实时监测，为风机运行工作提供修正参数，以提高产量。

同时改进型的二维扫描激光测风雷达，可以实现对大气风场的全覆盖监测，获得大气风廓线及大气风场的PPI、RHI及CAPPI等扫描产品，以及飞机起降通道的大气风切变、迎头风、跑道横风等产品，以保障飞机起降安全。

技术指标工作波长：1550nm；测量高度（距离）范围：10-200m/50-3000m；风速范围：0-50m/s；风向范围：0-360度；风速精度：0.3m/s；风向精度：5度。

技术特点采用全光纤相干光路，环境适应能力强；主要部件采用全国产化器件，工作可靠。

技术水平国际先进可应用领域和范围风力发电、民用航空气象保障等专利状态已取得专利1项技术状态试生产、应用开发阶段合作方式合作开发投入需求1000万元转化周期1-2年预期效益近年来对风力发电行业方兴未艾，国家大力投入，各地区建立了诸多风力发电厂。

多普勒测风雷达研究进展

嚣面
图３ＡＬＩ仪器核心部件ＡＤＮ
水平分辨率径向风场随即误差
径向风速偏差（正后）校
５ பைடு நூலகம் ｆ复每２０ｋ１０ｋ重０ｍ
＜ｌｍ／＠０ｍ．＜ｓ～１ｍｓ￣２ｋ２ｍ／＠２６ｋ
第２卷第１期７Ｏ
Ｖｏ＿７ＮＯ１ｌ２．０
多普勒测风雷达研究进展
摘要：大气激光多普勒设备（ＬＤＮＡＡＩ）作为大气动态任务—— 风神计划的有效载荷，可以提供全球风场的
直接测量。它能够提供与卫星速度矢量垂直的风速成分。该设备是工作在紫外波段的多普勒雷达．将是首例
可以覆盖整个所关注的高度范围。该仪器的设计为
图２测量几何构型
将来在轨运行任务做好了铺垫。
ＡＡＤＮ由两个模块组成：位于平台外面的仪器ＩＩ
上述测量范围要求该仪器发射激光工作在占空比２％的脉冲模式，而且可以节约功率消耗。５风速测量范围从地面以上一直延伸到３ｍ高０ｋ
设备指向离地心３。５位置，这样可以折衷径向风场测
表１主要任务参数需求
风场测量范围垂直分辨率
１ｋ＠２６ｋｍ￣１ｍ，２ｋｍ＠＞６ｋ１ｍ
取值
Ｏ０ｋ～３ｍ０５ｋ＠Ｏ２ｋ．ｉｎ～ｍ．
光雷达．图１显示了携带该载荷的风神卫星艺术构想图。当前，三维风场测量在不同的地区还不够完善，给天气预报和气象建模带来一定困难。来自ＡＭ —风神计划的风场数据有望证明在数值天气Ｄ—

激光测风雷达介绍

激光测风雷达供应商：
型号：Molas B300 制造商：南京价格：65万左右产品参数：测量精度（0.1m/s）、采样频率（1s），测量范围为40-300m；产品尺寸：520*420*550mm，产品重量<50KG
激光测风雷达供应商：
4、北京
型号：WindDR 制造商：价格：60万左右产品参数：产品测量精度（0.2m/s）、采样频率（0.1s），测量范围为30-300m；产品尺寸：560*570*550mm，产品重量约45KG
激光测风雷达使用场景：
3、结冰地区的补充测风
我国湖南、贵州、广西等地区湿度大，存在冰冻现象，测风塔一方面有倒塔风险，另一方面因传感器附冰而影响风速数据的测试精度，造成测量数据缺失或数据质量降低的问题，利用激光雷达补充测量可有效解决因冰冻导致的数据测量问题，为机组配置提供可靠气象条件数据输入。
激光测风雷达使用场景：
4、高空风廓线测量
随着近年来风电机组日渐大型化，测风塔高度已难以满足现有机组轮毂高度要求。激光雷达可满足40m~300m高度测量，利用激光雷达测量风廓线，可测量风机扫风面从下叶尖到上叶尖的实际风廓线。
激光测风雷达使用场景：
5、海上风资源评估
目前，海上风电场前期测风仍主要采用海上测风塔方式。海上测风塔具有造价成本高、维护成本高、测量限制因素多（塔影效应、测量高度、传感器数量）等问题。而激光雷达的便携性，则为上述问题提供了一种新的解决方案。
要求，仅通过测风塔数据模拟得到的结果存在很大差异。而通过激光雷达在风险区域实地测量，结合现有测量结果和软件模拟对比，将有效识别风险区域的真实性，规避潜在风险。
激光测风雷达使用场景：
2、功率曲线验证

激光雷达测风技术(4)

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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=2v/=5.6MHz （对于532nm)
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激光雷达的后向散射信号
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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usincos,子午线速度分量vcos cos,垂直速度分量wsin, -方位角，向北顺时针，仰角。
对于VAD扫描：仰角是常量，方位角是变量，径向速度vR是测量量，(u, v, w)满足下式：
上式还可表示为：
对流层
2-16 0.5
平流层
16-30 2.0
低对流层
0-5 5
高对流层
5-16 10
平流层
16-20 10
风分布数
风分布间距时间采样测量精度水平积分区域
/hour
km hour m/s km 1.5
30,000
50 3 1.5 50 2 5
100
>500 12 5 50 5
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激光雷达测风技术发展趋势
aerosol signal molecular signal transmitted signal
sunlight
L
Wavelength
航天学院
双F-P标准具多普勒检测
I I IL T() Backscattered signal
Laser
I IL 1 d L I 0 T ' ( L )
Nd:YAG

自制直接探测多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数介绍

自制直接探测多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数介绍引言风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量，利用风的数据，可以获得大气的变化，并预见其改变，促进人类对能量、水、气溶胶、化学和其它空气物质圈的了解，提高气象分析和预测全球气候变化的能力。

目前的风场数据主要来源于无线电探空测风仪、地面站、海洋浮标、观测船、飞行器以及卫星，它们在覆盖范围和观测频率上都存在很大限制。

对全球进行直接三维风场测量已经提到日程上来，世界气象组织提出了全球范围的高分辨率大气风场数据的迫切需要，迄今为止，多普勒测风激光雷达是唯一能够获得直接三维风场廓线的工具，具有提供全球所需数据的发展潜力［1］。

激光雷达是探测大气的有力工具，随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测、数据采集以及控制技术的发展，激光雷达技术的发展也日新月异。

多普勒测风激光雷达具有实用性、高分辨率和三维观测等优点，是其它探测手段难以比拟的［2，3，4］。

新研制的1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达，利用双边缘技术对对流层三维风场进行探测［5］。

本文介绍了该激光雷达的总体结构及其各部分的功能，并对其探测对流层风场的初步结果进行了分析和讨论。

1 总体结构和技术参数1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达从整体上由激光发射单元、二维扫描单元，回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分组成，其结构示意图和外观照片分别见图1和图2，主要的技术参数见表1。

激光发射单元、回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元放置在光学平台上，保证其光学稳定性。

Nd:YAG激光器的中心波长是1064 nm，工作在此波长，可以有较大的激光输出功率，并且气溶胶的后向散射截面比较大。

脉冲重复频率为50 Hz，可以节省探测的时间，能捕捉短时间内风速的变化，有利于提高风速探测的准确度。

同时，激光器内部注入种子激光可以保证激光器的频率稳定。

二维扫描单元安置在实验房的房顶，接收望远镜的上方。

直接测风激光雷达中F-P标准具的频率动态锁定

第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月V b l．35S uppl e m ent I nf r ar ed a nd L a ser E n gi n eer i ng O ct．2006直接测风激光雷达中F．P标准具的频率动态锁定董晶晶，孙东松，夏海云，沈法华，钟志庆，王邦新，周小林，李颖颖(中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031)摘要：直接探测多普勒测风激光雷达中，双边缘技术可分别测量回波信号中大气分子散射和气溶胶散射的成分，因而在保持高测速灵敏度的同时，可以减小瑞利背景噪声的影响。

这决定了其在大气对流层风场观测的优势地位。

直接探测双边缘技术中，使用双通道Fa br y．Pe r ot标准具作为鉴频器，将频率变换转换为信号强度变化。

该技术的前提是出射激光频率始终处在双通道标准具透过率曲线的交点频率附近。

提出的标准具腔长调制反馈电路方法有效解决了该问题。

关键词：激光雷达；Fab巧．P er ot标准具；伺服稳定中图分类号：T N958．98文献标识码：A文章编号：1007-2276(2006)增C-0279-05Ser V o-s t abi l i zi ng ci r cui t l了f br Fabr y—Per ot et al on i n di r ec tdet ect i on w i nd l i darD O N G Ji ng-j i I l g，SU N D ong—s o ng，X I A H ai—yu n，SHE N Fa-hua，ZH oN G zhi—qi ng，Ⅵ，A N G B a ng-xi n，Z H O U X i ao—l i n，L I Y i ng-yi ng(In鲥t II t c of A n hui opt i cs蜘d Fine M echani cs，chi ne∞A cadem y ofSc i e nc e，H e f cj23003l，Ch i na)A bs t r act：A st a bi l i zi ng ci r cui t∥i s de si gI l e d t o m odul at e t he cav时of t he Fab巧-Pe m t i nt erf e rom e t e r w i t hre spec t t o a r ef er ence疔equen cy，w h i l e s i m ul t an eousl y keep t he pa ra l l el i s m of t he r ene ct i ng fl at s．D oubl e—e dgede t e m i ned t ec hni que anow s t he R ay l ei gh and ae rosol com ponen t s of t he backs caner ed si gna l t o be i nd epen dent l yw hi l e keep i ng hi gh m eas ur i ng sensi t i V i t)，．These adV ant ag es m ake i t be com e a popu l ar m e t hod i n w i nd obs e rV at i on i l l 订oposphere and l ow s t r at os pher e．The doubl e-edge t ec hni que u s e s t w o edg es w i t h oppos i t e sl opes s ym m et ri cal l ydi scr i m i nat or仃ansf o珊s t he D oppl er l oca t e d ne ar t he l as er f．r equency，so t he Fa b拶一Pe rot et a l on as a仔equen cyi nf om at i on i nt o i nt ens i t y changes of m e s i g nal．行equen cy1(e y w or ds：Li dar；Fa b巧一Pe rot et alon；Ser vo st ab i l i zat i o n0引言全球风场的主动观测被世界气象组织称为最具意义和挑战性的气象观测之一【¨。

激光测风雷达风场探测性能评估

激光测风雷达风场探测性能评估激光测风雷达风场探测性能评估激光测风雷达（Lidar）是一种基于激光技术的远程风速和风向测量工具。

相比传统的塔式风杆观测和气象探空测量方法，激光测风雷达具有非常大的优势，可以实现对风场的全方位、高时空分辨率的探测和监测。

激光测风雷达的工作原理是利用激光束在空气中的散射现象。

当激光束经过空气中的气溶胶颗粒、水蒸气分子和尘埃等物质时，会发生散射。

通过测量散射光的回波特性，可以得到大气中气溶胶物质的浓度、风速和风向等气象参数。

首先，我们来评估激光测风雷达的风速测量性能。

激光测风雷达采用多普勒技术，通过测量散射光的频率偏移来计算风速。

然而，在实际应用中，由于多种因素的干扰，如大气湍流、水平和垂直风向变化等，风速的测量精度可能会受到影响。

因此，在评估风速测量性能时，需要考虑这些干扰因素。

为了提高测量的准确性和可靠性，可以采用多个激光测风雷达同时观测同一位置的风速，通过对比和统计分析数据，得出更加准确的结果。

其次，我们来评估激光测风雷达的风向测量性能。

激光测风雷达可以通过测量散射光的相位差来计算风向。

然而，在实际应用中，由于大气湍流和辐射等因素的影响，风向的测量精度可能会受到一定的限制。

在评估风向测量性能时，需要考虑这些干扰因素，并采用多个激光测风雷达进行观测以获得更精确的结果。

此外，激光测风雷达还可以测量大气中的气溶胶物质，并根据散射光的特征来判断气溶胶颗粒的浓度和大小。

这对于环境监测和空气污染防治非常重要。

在评估气溶胶物质测量性能时，需要考虑气溶胶颗粒的类型、形状和浓度等因素，并与传统的测量方法进行对比和验证。

最后，我们可以针对不同的应用场景评估激光测风雷达的性能。

例如，在风力发电领域，激光测风雷达可以用于测量风场，预测风能资源分布和风电场设计等。

在气象研究领域，激光测风雷达可以用于对大气运动和边界层特性进行研究。

通过对这些不同的应用场景进行性能评估，可以更好地了解激光测风雷达的优势和局限性，从而为其进一步的应用和改进提供参考。

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。

基于Fizeau干涉仪的直接探测多普勒测风、激光雷达研究

际时间）．
关键词：ｉａＦｚｕ干涉仪；ｅ直接探测；多普勒频移；ＭＴ阵列；Ｐ多普勒测风激光雷达
中图分类号：Ｈ６．Ｔ７５４文献标识码：Ａ文章编号：６３８２（０７０－６－５１７．０２０）１０２０００
大气风场测量在全球大气监测、＋１ｃｓ／］）ｏ０３．
实际的干涉仪平板存在光学平面不平整、平面弯曲等一系列的缺陷，这些缺陷的存在会导致
干涉仪光谱加宽．采用多通道探测器对Ｆｚｕｉａ光ｅ谱的一个干涉条纹进行成像，则每个通道的透过率可以表示为式（）Ｊ２＂
能量修正系数问题，最后对基于Ｆｚｕ干涉仪多ｉａｅ
普勒测风激光雷达雷达系统的风速测量误差进行了定量分析．
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Ｆｅｕ干涉仪可以用于高分辨光谱分析仪．ｉａｚ与ＦＰ不同，多光束Ｆｅｕｉａ干涉仪包括两个互成ａｚ
Ｆｅ干涉仪多普勒测风激光雷达雷达系统的风速测量误差进行了数值模拟．ｈａｕ结果显示，制中的基于研
Ｆｚａｉｕ干涉仪的多普勒测风激光雷达系统在５ｋｅｍ以下范围内，风速测量误差可以达到０５／（０积分实．６ｍｓ３ｓ
维普资讯
第１期
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激光雷达在大气环境监测中的应用

激光雷达在大气环境监测中的应用鲁岸立sc12002044摘要：本文介绍了RAMAN激光雷达、多普勒激光雷达、MIE激光雷达的工作原理。

并讨论了它们在气象和环境监测中的应用。

1.RAMAN激光雷达RAMAN散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。

散射光频率的改变v~因入r射光和受作用的分子不同而异。

分析该散射光的频率和强度的光谱图可以得到大气分子的相关信息,所以Raman 散射激光雷达可以用来测量环境中某种污染气体的浓度分布,接收系统用的是光谱分析仪,以便接收污染分子散射的不同Raman 散射波长的回波信号。

图1 RAMAN激光雷达结构原理图图2 典型的污染物分子相对于激光频率的振动-转动拉曼散射频率变化在实验中用RAMAN激光雷达测量了羽油烟和机动车尾气的组成成分。

RAMAN激光雷达使用的是波长337.1nm的激光作为探测光。

首先给出正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成分的光谱图。

图3 正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成分的光谱图图3中每个箭头对应一特定分子的拉曼散射线的中心波长。

正常大气中的主要成分包括N2,O2,水汽分子，CO2在光谱图中可以方便的检测出来。

在得到正常大气气体的光谱图之后，用激光雷达337.1nm波长激光分析羽油烟气体和机动车尾气中各种成分的拉曼频移，从而得出羽油烟气体具体组成。

图4 羽油烟气体中各组分分子的拉曼光谱图图5 机动车尾气中各组分分子的拉曼光谱图由探测结果可以看出，羽油烟气体和机动车尾气中除了包括N2,O2,水汽分子，CO2还探测到了SO2,CO,H2S等有害气体。

RAMAN激光雷达不仅可以检测分析污染气体成分，还可以进行气溶胶探测。

中科院安徽光机所在原有的一台Mie散射激光雷达的基础上，增加了一个Raman 通道，从而可以接受空气分子（如N 2分子）的RAMAN 散射回波信号。

激光测风雷达

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。

瑞利散射多普勒激光雷达风场反演方法

瑞利散射多普勒激光雷达风场反演方法*沈法华1，2，董吉辉2，刘成林1，王忠纯1，舒志峰2，孙东松2(1.盐城师范学院物理系江苏盐城2240022.中国科学院安徽光学精密机械研究所合肥230031)摘要：关键词：激光雷达；瑞利散射；多普勒；风；Fabry-Perot 标准具中图分类号：TN958.98 文献标识码：AWind Retrieval Method of Rayleigh Doppler lidarSHEN Fa-hua1,2, Dong Ji-hui2, Liu Cheng-lin1, Wang Zhong-chun1, Shu Zhi-feng2,SUN Dong-Song2(1. Department of Physics, Yancheng Teachers College, Yancheng, 224002, China;2. Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, the Chinese Academy of Sciences, Hefei, 230031,China)Abstract:Key words:Lidar, Rayleigh scattering, Doppler, Wind, Fabry-Perot etalon1引言高精度、高分辨率的全球大气风场观测在气象研究、天气预报、大气环境监测和国防高技术战略/战术武器系统的气象保障、靶场气象条件检测等方面都具有广泛的应用。

目前，直接探测多普勒测风激光雷达是能够实现全球范围三维风场测量的最有效工具。

直接探测测风激光雷达对大气风场的测量主要利用了气溶胶或分子作为后向散射目标。

在气溶胶散射较强的区域，一般在低对流层或边界层附近，米散射测风激光雷达提供了高频谱分辨率和高灵敏度测量的可能性。

但是在南半球的大部分地区和海洋中部地区，自由对流层的气溶胶浓度较低，而且在高对流层至平流层顶区域，气溶胶浓度一般很低，米散射测风激光雷达就无能*基金项目：安徽省国际科学合作计划项目（0908*******）作者简介：沈法华（1981~），男，博士，从事激光雷达大气探测研究；Email: sfh81914@。

多普勒激光雷达与大气探测

多普勒激光雷达与大气探测多普勒激光雷达（Doppler lidar）是一种利用激光光束探测物体运动状态的仪器。

它的应用范围很广，包括气象、环境、动力学等领域。

其中，在大气探测中，多普勒激光雷达具有非常重要的作用。

本文将详细介绍多普勒激光雷达在大气探测中的原理、应用及未来发展方向。

一、多普勒激光雷达原理多普勒激光雷达的原理是利用激光束发射出去，并经由被探测物体反射回来的光信号，通过测量反射回来的信号的频率偏移来确定物体运动速度。

当被探测物体向多普勒激光雷达发射器运动时，反射回来的光波的频率增加；当被探测物体与多普勒激光雷达发射器远离时，反射回来的光波的频率减少。

通过测量这种频率偏移，可以确定物体运动状态。

二、多普勒激光雷达在大气探测中的应用在大气探测中，多普勒激光雷达主要用于探测空中气体的运动状态。

根据多普勒效应原理，当激光束与空气分子相互作用时，会发生反射和散射。

通过探测反射和散射光波的频率偏移，可以确定空气分子的运动状态，包括速度、方向和时间等信息。

多普勒激光雷达在大气探测中的应用包括下列几个方面：1.气象学在气象学中，多普勒激光雷达被用于探测天空中的水滴、冰晶、降雪以及风向、风速等信息。

通过探测气体运动状态的变化，可以实现温度、湿度、气压等气象因素的实时测量。

多普勒激光雷达还可用于雷暴监测，通过探测云中闪电发生的时间和地点，可以及时预警雷电等灾害性天气。

2.卫星遥感多普勒激光雷达也可用于卫星遥感，通过对大气运动状态的探测，可以获取大气折射率数据，进而提取出高程、材质如何和建筑等信息。

3.环境监测多普勒激光雷达还可用于环境监测，比如监测空气中的颗粒物、沙尘和烟雾等。

通过多普勒激光雷达探测到的反射光信号，可以确定颗粒物的速度和分布，从而实现大气污染和气溶胶浓度等数据的实时监测。

三、未来多普勒激光雷达的发展方向随着科技的发展，多普勒激光雷达也在不断地加强技术创新，未来的发展方向主要有以下几个：1.提高探测精度当前多普勒激光雷达的精度还有一定的提升空间。

WindCube Scan 扫描式多普勒测风激光雷达说明书

实现可靠的天气观测，共创可持续未来准确的天气预报、气候建模及其他大气研究依赖于可靠的大气参数（如风、湍流、云和气溶胶）监测能力。

这些参数直接或间接影响人类生活的方方面面。

例如：下一代高分辨率天气预报模型需要高水平的空间和时间连续性。

覆盖全球的卫星观测须与可提供高垂直空间分辨率和时间分辨率的地面观测设备实现网络互联。

WindCube ® Scan 系列风和气溶胶激光雷达可执行全天候实时测量并进行高级数据处理。

作为一种多功能工具，可准确获取风和气溶胶后向散射测量结果，并在多种扫描模式下达到超过10公里的测量距离。

该工具采用成熟的大气结构检测算法，可对对流层中的云层和气溶胶层进行检测、定位和分类，以及对大气边界层 (ABL) 高度进行监测。

针对无法通过常规地面设备或卫星观测覆盖的大气第一垂直分层，利用 WindCube Scan 可以实现有效监测，且准确性较高。

利用测风激光雷达推进天气和气候方面的中尺度和微尺度研究，有助于科学家和气象学家开发更准确的预报模型。

WindCube Scan 扫描激光雷达探索版3D 扫描式多普勒测风激光雷达，用于精确实时风和气溶胶后向散射测量产品亮点优点改善短期天气预报WindCube Scan 可连续观测对流层下层，满足了针对局部超精细测量的需求。

增强气候建模WindCube Scan 为气候模型和数据库提供连续的大气边界层高度和大气光学特性廓线分析数据，帮助生成不断改进的气候模型。

行业多方面支持WindCube Scan 以数十年经验、科学工具、专业知识以及支持服务，使客户能够在设备的整个生命周期内充分发挥作用。

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