激光雷达测风技术4
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激光雷达波束分别是垂直向、向北、向东、向南和向西
VR > 0, w > 0, u > 0, v > 0
航天学院
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。
光强变化量频移径向速度； 光强空间分布频移径向速度；
航天学院
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
航天学院
单边缘滤波器：频率分析器
航天学院
双边缘滤波器：频率分析器
航天学院
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
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
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
航天学院
原子吸收产生的多普勒频移
激光雷达测风技术（3）
航天学院
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
指标 532nm 330mJ 30Hz 450cm 0.1mrad 固定(3＋1)方位 8~55km 0.15km
航天学院
ESA/ADM— Aeolus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
信号
多普勒频移
发射激光
接收信号
频率
大气粒子 风矢量
谱分析仪
光子探测器
接收信号 卷云
发射激光
时间
航天学院
时间－空间的对应关系
r ct , 2
r ct 2
t - - - 脉冲宽度或采样宽度
t - - -测量周期
信号
多普勒频移
发射激光
接收信号
d
频率
接收信号 强度 卷云
t r
发射激光 脉冲
时间 t 距离r
transmitted signal
sunlight
L
Wavelength
航天学院
双F-P标准具多普勒检测
Intensity
I I I
L
I
01
I
L
I
02
T() Backscattered signal
Laser
0
L
T ()
T ()
2
1
dLI I0ILT'(1L)
Backscattered signal
v vd ,
2 vd - - -多普勒频率
- - - 激光波长
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90MHz）
Signal Intensity
Zero Doppler shift aerosol signal
Doppler shift molecular signal
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： a：补偿量，b:振幅，max 周相位移动
航天学院
航天学院
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
-天顶角
航天学院
改进型DBS扫描矢量风场反演
1~11m
航天学院
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
航天学院
航天学院
航天学院
WMO的全球风测量技术指标
单位
理想要求 边界层 对流层 平流层
最低要求 低对流层 高对流层
平流层
垂直范围
km 0-2
2-16 16-30
0-5
垂直分辨率
km 0.1
0.5
2.0
5
5-16
16-20
10
10
风分布数
/hour
30,000
100
风分布间距
km
50
时间采样
hour
Er激光器
Nd:YAG
倍频
Nd:YAG 可见光
三倍频 Nd:YAG
宽带探测 可调谐本振
相干 非相干
最佳的 硅探测器 分子散射
激光技术
Mie
Mie
Mie
Mie
Mie
Mie
Rayleigh Rayleigh
航天学院
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. 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。
航天学院
NOAA mini-MOPA CO2 Coherent Lidar
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
航天学院
多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；在上部，DRS扫描
航天学院
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,垂直速度分量测风雷达波长选择
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-4成比例，气溶胶散射与-2或+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
Rayleigh signal
Frequency
Mie signal
Etalon 1
Rayleigh signal Etalon 2
Frequency
航天学院
NASA/Goddard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
航天学院
NOAA HRDL (A SOPA Lidar)
航天学院
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)
航天学院
激光雷达的后向散射信号
Laser
dI1 0IT 0 1'(1 L IL )T I0 2'(2 ILL ) I1 0IT 0'(1 IL0 )2
01
L
02
航天学院
Intensity
Mie散射和分子散射速度测量
中心10 中心20 双通道F-P标准具
中心10 中心20 双通道F -P标准具
Etalon 1
Etalon 2 Mie signal
航天学院
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
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）
航天学院
洛-马公司机载CO2相干激光多普勒雷达
技术参数 波长(m) 脉冲能量(mJ) 脉冲宽度(ns) 脉冲重复频率(Hz) 扫描器/望远镜(mm) 距离分辨率 径向速度精度(m/s) 最远作用距离(km)
技术指标 10.6 10 2000 100 150 0.05 1 4
航天学院
C19L9A3年WCSL-YAWAGS 相(Co干he激ren光t A多tm普os勒ph测eric风W雷in达d Sounder)
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：
航天学院
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：
在后向散射情况下，其多普勒频移：
航天学院
相干探测测风技术
原理：假设本振光频率fLO、激光脉冲发射频率f0=fLO+foffset、信号回
已装备肯尼迪航天中心
技术参数
技术指标
航天学院
MAC地基测风激光雷达
参数
指标
激光器：波长 脉冲能量 重复频率
355nm, 532nm 400mJ 10Hz
望远镜：口径
50cm
扫描方式
经纬仪平台
测量范围 距离分辨率
0.5~20km 0.25km
航天学院
法国OHP观测站
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
波频率fsig=f0+f，则在光混频后得到和频和差频，即
fLO fsig
这时探测器只能响应低频部分，即中频信号：
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
航天学院
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；
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
航天学院
ALADIN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： ① 10.6m(CO2)相干激光多普勒测风雷达 ② 1.06 m(YAG)相干激光多普勒测风雷达 ③ 2m(Tm:YAG,Tm,Ho:YLF）相干激光多普勒测风雷达
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
航天学院
欧洲航天局的ALADIN计划
ALADIN( Atmospheric Laser Doppler Lidar IN strument ) 紫外波段激光多普勒测风雷达 2007年发射 全球三维风场轮廓测量，满足将来全球观测系统（GOS）的要求 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 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。 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。
3
测量精度
m/s 1.5
1.5
2
水平积分区域 km
50
>500
12
5
5
5
50
航天学院
激光雷达测风技术发展趋势
探测方式 工作波长 激光器状态 优点 探测对象
工作波段趋向短波长
相干外差探测
非相干直接探测
10m
2m
1.5m
1.06m
532nm
355nm
CO2激光器
Tm:YLuAG TmHo:YAG
Raman激光器 OPO-Nd:YAG
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。
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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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
航天学院
单边缘滤波器：频率分析器
航天学院
双边缘滤波器：频率分析器
航天学院
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
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
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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
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
指标 532nm 330mJ 30Hz 450cm 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
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
信号
多普勒频移
发射激光
接收信号
频率
大气粒子 风矢量
谱分析仪
光子探测器
接收信号 卷云
发射激光
时间
航天学院
时间－空间的对应关系
r ct , 2
r ct 2
t - - - 脉冲宽度或采样宽度
t - - -测量周期
信号
多普勒频移
发射激光
接收信号
d
频率
接收信号 强度 卷云
t r
发射激光 脉冲
时间 t 距离r
transmitted signal
sunlight
L
Wavelength
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双F-P标准具多普勒检测
Intensity
I I I
L
I
01
I
L
I
02
T() Backscattered signal
Laser
0
L
T ()
T ()
2
1
dLI I0ILT'(1L)
Backscattered signal
v vd ,
2 vd - - -多普勒频率
- - - 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）
Signal Intensity
Zero Doppler shift aerosol signal
Doppler shift molecular signal
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： a：补偿量，b:振幅，max 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
-天顶角
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改进型DBS扫描矢量风场反演
1~11m
航天学院
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
航天学院
航天学院
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WMO的全球风测量技术指标
单位
理想要求 边界层 对流层 平流层
最低要求 低对流层 高对流层
平流层
垂直范围
km 0-2
2-16 16-30
0-5
垂直分辨率
km 0.1
0.5
2.0
5
5-16
16-20
10
10
风分布数
/hour
30,000
100
风分布间距
km
50
时间采样
hour
Er激光器
Nd:YAG
倍频
Nd:YAG 可见光
三倍频 Nd:YAG
宽带探测 可调谐本振
相干 非相干
最佳的 硅探测器 分子散射
激光技术
Mie
Mie
Mie
Mie
Mie
Mie
Rayleigh Rayleigh
航天学院
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. 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。
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NOAA mini-MOPA CO2 Coherent Lidar
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
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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usincos,子午线速 度分量vcos cos,垂直速度分量测风雷达波长选择
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-4成比例，气溶胶散射与-2或+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
Rayleigh signal
Frequency
Mie signal
Etalon 1
Rayleigh signal Etalon 2
Frequency
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NASA/Goddard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
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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
Laser
dI1 0IT 0 1'(1 L IL )T I0 2'(2 ILL ) I1 0IT 0'(1 IL0 )2
01
L
02
航天学院
Intensity
Mie散射和分子散射速度测量
中心10 中心20 双通道F-P标准具
中心10 中心20 双通道F -P标准具
Etalon 1
Etalon 2 Mie 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
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）
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洛-马公司机载CO2相干激光多普勒雷达
技术参数 波长(m) 脉冲能量(mJ) 脉冲宽度(ns) 脉冲重复频率(Hz) 扫描器/望远镜(mm) 距离分辨率 径向速度精度(m/s) 最远作用距离(km)
技术指标 10.6 10 2000 100 150 0.05 1 4
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C19L9A3年WCSL-YAWAGS 相(Co干he激ren光t A多tm普os勒ph测eric风W雷in达d Sounder)
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：
航天学院
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：
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：假设本振光频率fLO、激光脉冲发射频率f0=fLO+foffset、信号回
已装备肯尼迪航天中心
技术参数
技术指标
航天学院
MAC地基测风激光雷达
参数
指标
激光器：波长 脉冲能量 重复频率
355nm, 532nm 400mJ 10Hz
望远镜：口径
50cm
扫描方式
经纬仪平台
测量范围 距离分辨率
0.5~20km 0.25km
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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
波频率fsig=f0+f，则在光混频后得到和频和差频，即
fLO fsig
这时探测器只能响应低频部分，即中频信号：
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；
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
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ALADIN工作示意图
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ALADIN装调部分照片
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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： ① 10.6m(CO2)相干激光多普勒测风雷达 ② 1.06 m(YAG)相干激光多普勒测风雷达 ③ 2m(Tm:YAG,Tm,Ho:YLF）相干激光多普勒测风雷达
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
航天学院
欧洲航天局的ALADIN计划
ALADIN( Atmospheric Laser Doppler Lidar IN strument ) 紫外波段激光多普勒测风雷达 2007年发射 全球三维风场轮廓测量，满足将来全球观测系统（GOS）的要求 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 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。 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。
3
测量精度
m/s 1.5
1.5
2
水平积分区域 km
50
>500
12
5
5
5
50
航天学院
激光雷达测风技术发展趋势
探测方式 工作波长 激光器状态 优点 探测对象
工作波段趋向短波长
相干外差探测
非相干直接探测
10m
2m
1.5m
1.06m
532nm
355nm
CO2激光器
Tm:YLuAG TmHo:YAG
Raman激光器 OPO-Nd:YAG