星载激光雷达意义与发展-刘_宋-02
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2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 7
4．观测要求
现存的系统无法满足获得全球高分辨率风场数据的要求。
世界 气象 组织 制定 的风 剖面 测量 要求
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 8
5. 多普勒测风激光雷达在大气观测中的地位
多普勒测风激光雷达(DWL)与数值气象预报、气候 研究、大气分析和研究以及全球观测系统之间的关系
星载测 的意
风 义
激 与
光 发
雷达 展
海洋遥感教育部重点实验室 中国海洋大学 海洋遥感研究所 2004年11月
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 1
（一）对星载测风激光雷达的迫切需求
当前，气候学和数值气象预报需要全球风剖面的测量。 全球大气风场的测量主要依靠全球观测系统（GOS）和全 球气候观测系统（ GCOS），但在覆盖面积和观测频率上 存在着很大不足。对地球探测大气动力学任务来说，风剖 面数据严重不足，全球三维风场数据更加缺乏，严重阻碍 了与气候相关的研究以及天气预报业务化运行的发展。 美国NASA、欧洲ESA多次组织专家论证共同认为：星 载激光多普勒测风雷达是唯一的可直接测量风剖面的仪器。 只有激光多普勒测风雷达可以提供全球范围内所需数据特 别是剖面数据。除此之外，激光多普勒测风雷达还可以提 供其它的数据如云顶高度、云的垂直分布、气溶胶性质等。
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SPARCLE系统Biblioteka Baidu光学示意图
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星载测风激光雷达意义与发展
14
美国开展的两个研究计划之二——Zephyr
Zephyr采用双边缘技术分别测量大气气溶胶和分子 后向散射信号来反演风速信息。 系统：采用半导体泵浦种子注入的Nd:YAG激光器， 其基频(1064nm）脉冲能量0.5J，用于测量气溶胶散射； 三倍频(355nm)脉冲能量为0.2J，用于测量大气分子散射。 激光的重复频率为25Hz，1064nm和355nm的频宽分别为80 和240MHz。系统拟采用1m口径的望远镜，信号接收分别 采用仿真模拟和光于计数两种方式。 系统只是为了验证直接探测方法对全球风测量的性 能，因此采用固定天底角45o
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（二）星载激光测风雷达的产生与发展
• 早在1979年，一个全球风研讨会在美国喷气推进实验室 （JPL）举行，世界各地的激光雷达专家、大气研究科学 家共同讨论测量全球风场数据的技术手段。一个共同的 观点认为：星载激光多普勒雷达测风系统将是获得对流 层的高精度风场数据的有效手段。 • 在随后的二十几年内，关于多普勒激光雷达测风系统的 研究和讨论焦点在于：激光器和工作波长、工作方式 （脉冲和连续）、多普勒频移检测技术（相干和非相 干）、星载的应用潜力。正因为这些没有明确答案的问 题，推动了激光测风雷达各个方面的发展。
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Zephyr系统概念样机（左）和工作示意图（右）
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星载测风激光雷达意义与发展
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星载激光多普勒雷达测风系统业务运行的观测要求
基本满 足目前 地球科 学研究、 气象和 天气预 报模型 的最小 极限值
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星载测风激光雷达意义与发展
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1984年，美国NASA的全球风研究研讨会提出了激光 大气风测量（LAWS）的概念，正式确定了星载多普勒激 光雷达测风系统将作为地球观测系统（EOS）的一个重要 组成部分。
一个脉冲能量为5J，重复频率为10Hz的CO2激光器作 为LAWS的实验室设备，取得了很大成功。由于2µｍ固体 激光器的迅速发展，使得建立小型星载多普勒激光雷达成 为可能。1994年初，由于美国在EOS上的财政问题，原 LAWS科研队伍解散。 1995年，美国NOAA组织的关于星载多普勒激光雷达测 风研讨会上，重新提出了可采用短波长相干或短波长非相 干固体激光雷达系统作为星载设备。
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• 激光多普勒雷达测风的探测方式，主要集中在 相干（外差检测）和非相干（直接检测）测量上。
相干测量需要利用大气气溶胶的散射信号，因此 在气溶胶浓度很低的南半球海洋和中高空大气中，很 难获得大气风速信息。 直接探测方法可以同时利用大气气溶胶和分子散 射信号，因而原则上可获得全球大气风速分布。 1979年，Abreu建议可以采用非相干技术进行全 球风场激光雷达探测，但是由于当时技术的限制，直 到80年代末才有相关的系统出现。
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美国两个星载测风研究计划之一——SPARCLE (Space Readiness Coherent Lidar Experiment) 美国NASA/GSFC中心负责，是为地球轨道任务EO2设计的遥测设备。
目的：为了验证星载相干激光雷达可 以进行全球风测量，以及印证将来在 轨运行的风测量性能预测模型。 系统：采用NASA/LaRC研制的半导体 激光泵浦的Tm,Ho:YLF激光器，工作 波长2.051µｍ，脉冲能量 100mJ，脉 冲宽度 180µs，重复频率6Hz。激光发 射和接收共用一个口径为 25cm的望远 镜，采用石英楔型扫描仪，可根据不 同要求获得多种扫描图案。
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1. 大气分析对大气风场的需要
[1] 大尺度的气候研究以及数值天气预报都需要对大气状 态进行分析。越来越多的大气模型需要附加的初始值，这 也需要大气风场分析。这种分析迫切需要大气风场数据。 [2] 当前风场数据严重缺乏。无线电探空仪是现今唯一可 以提供风场垂直剖面的观测系统，但它们主要分布在北半 球的大陆上。而且近几年无线电探空仪网络在逐渐减少， 因此三维风场的测量仍然更加缺乏。 [3] 风剖面测量的重要性。风剖面观测对于热带天气预 报和温带的小尺度结构的预报有着重要影响。所以直接测 量三维风场非常重要。
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LITE飞过青岛时所获取的数据
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（三）关于海洋大学测风激光雷达发展：
1995年——美国海军研究署（ONR）对测风激光雷达方案的评审意见
“这个建议在于建立一种测量边界层风场（30km以下）和海面风场（海 表10m以上）的新型激光雷达系统。” “ 第一个新颖点（ “种子注入”的Nd:YAG激光器作为光源）将会受到广泛 的欢迎。”
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全球无线电探空站分布图
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2．提高风场观测的准确性可以使数值气象预报 的精度得到提高
[1] 数值气象预报数据的缺乏。典型的数值气象预报模型的初 始状态包含许多变量。这说明数值气象预报问题在很大程度上依 赖于初始值的确定。 [2] 为了估计风剖面数据在数值气象预报中的影响，进行了观 测系统实验(OSE)和观测系统仿真模拟实验(OSSE)。 为了能够估计三维风场数据在天气预报中的潜在作用，深入了 解星载激光雷达系统确实可以提高天气预报和分析，需要进行观 测系统的仿真模拟实验。这样才能确定测风系统的精度范围和覆 盖面积，对于真正的观测实验系统研制具有重要的参考价值。 [3] 对于风剖面数据影响的研究结果。通过在数据密集的区域 如北美进行观测系统实验 (OSE) 来估计真实风剖面的影响可以 获得对未来星载多普勒激光测风雷达系统很好的估计。
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2000年——国家863计划项目验收专家意见汇总表
“ 本系统采用新型的非相干直接式测风系统，激 光器、光机电和各种软件配置完整，功能齐全，经 调试、实测及对比试验，说明系统运行可靠、处理 结果准确。系统在集装箱内集成后，经运输后能在 短期内恢复运行，在气象、航空航天以及军事部门 有广泛的应用前景。” “综合评价：A，全面完成任务，有突破，水平高， 经费使用合理。”
其它星载激光雷达的发展
欧空局在20世纪80年代末90年代初提出星载激光测风雷达 ATLID (Atmosphere Laser Doppler Instrument) 。系统最初准 备采用CO2激光器和相干探测方法，1999年ESA决定选用直接探 测多普勒激光雷达,并准备搭载在2006发射的ADM 卫星上。 日本NASDA计划在2001年发射的ELISE（Experiment Lidar In Space Equipment）星载激光雷达，在几乎所有技术问题都解 决的前提下，由于经费问题被迫放弃，但NASDA仍然把星载 激光雷达列到了与ESA的联合卫星ATMOS-B1计划中。 美国NASA正在研制VCL（Vegetation Canopy Lidar）、GLAS （Geoscience Laser Altimeter System）等星载激光雷达传感器， 研究内容主要集中在观测全球的气溶胶后向散射、云顶、云底 高度，在此基础上反演全球气溶胶、云的光学、辐射特性。
“ 第 二 个 新 颖 点 （ 原 子 滤 波 器 ） 是 最 近 出 现 的 手 段 ， 可 用 于 Mie 和 Rayleigh散射成分的谱分离。……利用原子吸收池作为窄带滤波器的优点， 表现在其吸收特性方面的稳定性。与Fabry Perot和Michelson干涉仪不同， 原子滤波器容易使用，不需光学校准。并且，通过简单改变蒸汽温度，可以 在很大的动态范围内均可剔除气溶胶散射。” “作者提出一种新的激光雷达系统，由如下技术组成：1）短波光源，类似 成熟的技术已经被接受，2）直接探测，3）作为谱分析的原子滤波器。这种 系统可被用于同时测量Rayleigh和Mie散射得出风场。从以上简短概括可得 出：1）这种新型系统综合了所有激光雷达设计中的新成果，这值得推崇……”
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LITE: Lidar In-space Technology Experiment
1994年，美国NASA成功地实现航天飞机搭载载激光雷达 实验LITE，为星载激光雷达的发展跨出了历史性的第一步。
LITE采用Nd:YAG激光器作为发射源，经倍频和三倍频同时输出1064 nm、532 nm和355 nm激光脉冲；望远镜直径1m；探测器针对不同波长分别使用光电倍增管 和雪崩光电二极管。激光雷达回波信号从40 km高度到地球表面回波脉冲覆盖了5到 6个数量级大小的动态范围。云的回波峰值信号变化超过2个数量级。观测任务执行时 间被分成对气溶胶、云和地球表面的观测，三个通道可以独立地设置。LITE总共运行 了53个小时，得到了覆盖地面轨迹1.4百万公里共计40 GB的数据。
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1995年——国家教育委员会科技成果鉴定证书（鉴 字［教BP95］第012号） “ 该专题按合同要求研制了一套海面风场激光雷达测 风实验系统。这套系统采用了先进的非相干检测方式， 采用了多项国际前沿技术，并解决了与之有关的一系列 关键技术……” “该系统达到了合同所规定的技术指标，其中风速测 量范围、测量精度、采样距离分辨率优于合同指标……” • 国家“八五”科技攻关85-903-06-01专题“海面风场 激光遥感遥测系统”
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有风场数据和无风场数据的预报结果比较
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3．气象研究对大气风场的需求
[1] 所有与数值气象预报模型有关的风场数据的优点同 样也适合于用于气候研究的循环模型，因为两种模型都依 赖于同样的物理和数学原理。 [2] 风场数据对于气候研究的重要性——需要覆盖全球 的具有理想垂直分辨率和典型水平间距的风场数据。 [3] 风场数据对于分析大气成分的作用。通过ADM获得改 良的风场分析，对于研究大气化学性质和成分，以及验证 卫星对大气成分的测量都十分有益。 关于数值气象预报和大气研究方面的结论：三维风场 数据对于数值气象预报，季际到年际预报，与全球气候以 及今后发展有关的化学和气溶胶循环是非常重要的。
4．观测要求
现存的系统无法满足获得全球高分辨率风场数据的要求。
世界 气象 组织 制定 的风 剖面 测量 要求
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5. 多普勒测风激光雷达在大气观测中的地位
多普勒测风激光雷达(DWL)与数值气象预报、气候 研究、大气分析和研究以及全球观测系统之间的关系
星载测 的意
风 义
激 与
光 发
雷达 展
海洋遥感教育部重点实验室 中国海洋大学 海洋遥感研究所 2004年11月
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（一）对星载测风激光雷达的迫切需求
当前，气候学和数值气象预报需要全球风剖面的测量。 全球大气风场的测量主要依靠全球观测系统（GOS）和全 球气候观测系统（ GCOS），但在覆盖面积和观测频率上 存在着很大不足。对地球探测大气动力学任务来说，风剖 面数据严重不足，全球三维风场数据更加缺乏，严重阻碍 了与气候相关的研究以及天气预报业务化运行的发展。 美国NASA、欧洲ESA多次组织专家论证共同认为：星 载激光多普勒测风雷达是唯一的可直接测量风剖面的仪器。 只有激光多普勒测风雷达可以提供全球范围内所需数据特 别是剖面数据。除此之外，激光多普勒测风雷达还可以提 供其它的数据如云顶高度、云的垂直分布、气溶胶性质等。
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SPARCLE系统Biblioteka Baidu光学示意图
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美国开展的两个研究计划之二——Zephyr
Zephyr采用双边缘技术分别测量大气气溶胶和分子 后向散射信号来反演风速信息。 系统：采用半导体泵浦种子注入的Nd:YAG激光器， 其基频(1064nm）脉冲能量0.5J，用于测量气溶胶散射； 三倍频(355nm)脉冲能量为0.2J，用于测量大气分子散射。 激光的重复频率为25Hz，1064nm和355nm的频宽分别为80 和240MHz。系统拟采用1m口径的望远镜，信号接收分别 采用仿真模拟和光于计数两种方式。 系统只是为了验证直接探测方法对全球风测量的性 能，因此采用固定天底角45o
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 9
（二）星载激光测风雷达的产生与发展
• 早在1979年，一个全球风研讨会在美国喷气推进实验室 （JPL）举行，世界各地的激光雷达专家、大气研究科学 家共同讨论测量全球风场数据的技术手段。一个共同的 观点认为：星载激光多普勒雷达测风系统将是获得对流 层的高精度风场数据的有效手段。 • 在随后的二十几年内，关于多普勒激光雷达测风系统的 研究和讨论焦点在于：激光器和工作波长、工作方式 （脉冲和连续）、多普勒频移检测技术（相干和非相 干）、星载的应用潜力。正因为这些没有明确答案的问 题，推动了激光测风雷达各个方面的发展。
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 15
Zephyr系统概念样机（左）和工作示意图（右）
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星载激光多普勒雷达测风系统业务运行的观测要求
基本满 足目前 地球科 学研究、 气象和 天气预 报模型 的最小 极限值
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 17
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星载测风激光雷达意义与发展
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1984年，美国NASA的全球风研究研讨会提出了激光 大气风测量（LAWS）的概念，正式确定了星载多普勒激 光雷达测风系统将作为地球观测系统（EOS）的一个重要 组成部分。
一个脉冲能量为5J，重复频率为10Hz的CO2激光器作 为LAWS的实验室设备，取得了很大成功。由于2µｍ固体 激光器的迅速发展，使得建立小型星载多普勒激光雷达成 为可能。1994年初，由于美国在EOS上的财政问题，原 LAWS科研队伍解散。 1995年，美国NOAA组织的关于星载多普勒激光雷达测 风研讨会上，重新提出了可采用短波长相干或短波长非相 干固体激光雷达系统作为星载设备。
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• 激光多普勒雷达测风的探测方式，主要集中在 相干（外差检测）和非相干（直接检测）测量上。
相干测量需要利用大气气溶胶的散射信号，因此 在气溶胶浓度很低的南半球海洋和中高空大气中，很 难获得大气风速信息。 直接探测方法可以同时利用大气气溶胶和分子散 射信号，因而原则上可获得全球大气风速分布。 1979年，Abreu建议可以采用非相干技术进行全 球风场激光雷达探测，但是由于当时技术的限制，直 到80年代末才有相关的系统出现。
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星载测风激光雷达意义与发展
12
美国两个星载测风研究计划之一——SPARCLE (Space Readiness Coherent Lidar Experiment) 美国NASA/GSFC中心负责，是为地球轨道任务EO2设计的遥测设备。
目的：为了验证星载相干激光雷达可 以进行全球风测量，以及印证将来在 轨运行的风测量性能预测模型。 系统：采用NASA/LaRC研制的半导体 激光泵浦的Tm,Ho:YLF激光器，工作 波长2.051µｍ，脉冲能量 100mJ，脉 冲宽度 180µs，重复频率6Hz。激光发 射和接收共用一个口径为 25cm的望远 镜，采用石英楔型扫描仪，可根据不 同要求获得多种扫描图案。
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1. 大气分析对大气风场的需要
[1] 大尺度的气候研究以及数值天气预报都需要对大气状 态进行分析。越来越多的大气模型需要附加的初始值，这 也需要大气风场分析。这种分析迫切需要大气风场数据。 [2] 当前风场数据严重缺乏。无线电探空仪是现今唯一可 以提供风场垂直剖面的观测系统，但它们主要分布在北半 球的大陆上。而且近几年无线电探空仪网络在逐渐减少， 因此三维风场的测量仍然更加缺乏。 [3] 风剖面测量的重要性。风剖面观测对于热带天气预 报和温带的小尺度结构的预报有着重要影响。所以直接测 量三维风场非常重要。
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 19
LITE飞过青岛时所获取的数据
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（三）关于海洋大学测风激光雷达发展：
1995年——美国海军研究署（ONR）对测风激光雷达方案的评审意见
“这个建议在于建立一种测量边界层风场（30km以下）和海面风场（海 表10m以上）的新型激光雷达系统。” “ 第一个新颖点（ “种子注入”的Nd:YAG激光器作为光源）将会受到广泛 的欢迎。”
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全球无线电探空站分布图
2004-11-20
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2．提高风场观测的准确性可以使数值气象预报 的精度得到提高
[1] 数值气象预报数据的缺乏。典型的数值气象预报模型的初 始状态包含许多变量。这说明数值气象预报问题在很大程度上依 赖于初始值的确定。 [2] 为了估计风剖面数据在数值气象预报中的影响，进行了观 测系统实验(OSE)和观测系统仿真模拟实验(OSSE)。 为了能够估计三维风场数据在天气预报中的潜在作用，深入了 解星载激光雷达系统确实可以提高天气预报和分析，需要进行观 测系统的仿真模拟实验。这样才能确定测风系统的精度范围和覆 盖面积，对于真正的观测实验系统研制具有重要的参考价值。 [3] 对于风剖面数据影响的研究结果。通过在数据密集的区域 如北美进行观测系统实验 (OSE) 来估计真实风剖面的影响可以 获得对未来星载多普勒激光测风雷达系统很好的估计。
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 22
2000年——国家863计划项目验收专家意见汇总表
“ 本系统采用新型的非相干直接式测风系统，激 光器、光机电和各种软件配置完整，功能齐全，经 调试、实测及对比试验，说明系统运行可靠、处理 结果准确。系统在集装箱内集成后，经运输后能在 短期内恢复运行，在气象、航空航天以及军事部门 有广泛的应用前景。” “综合评价：A，全面完成任务，有突破，水平高， 经费使用合理。”
其它星载激光雷达的发展
欧空局在20世纪80年代末90年代初提出星载激光测风雷达 ATLID (Atmosphere Laser Doppler Instrument) 。系统最初准 备采用CO2激光器和相干探测方法，1999年ESA决定选用直接探 测多普勒激光雷达,并准备搭载在2006发射的ADM 卫星上。 日本NASDA计划在2001年发射的ELISE（Experiment Lidar In Space Equipment）星载激光雷达，在几乎所有技术问题都解 决的前提下，由于经费问题被迫放弃，但NASDA仍然把星载 激光雷达列到了与ESA的联合卫星ATMOS-B1计划中。 美国NASA正在研制VCL（Vegetation Canopy Lidar）、GLAS （Geoscience Laser Altimeter System）等星载激光雷达传感器， 研究内容主要集中在观测全球的气溶胶后向散射、云顶、云底 高度，在此基础上反演全球气溶胶、云的光学、辐射特性。
“ 第 二 个 新 颖 点 （ 原 子 滤 波 器 ） 是 最 近 出 现 的 手 段 ， 可 用 于 Mie 和 Rayleigh散射成分的谱分离。……利用原子吸收池作为窄带滤波器的优点， 表现在其吸收特性方面的稳定性。与Fabry Perot和Michelson干涉仪不同， 原子滤波器容易使用，不需光学校准。并且，通过简单改变蒸汽温度，可以 在很大的动态范围内均可剔除气溶胶散射。” “作者提出一种新的激光雷达系统，由如下技术组成：1）短波光源，类似 成熟的技术已经被接受，2）直接探测，3）作为谱分析的原子滤波器。这种 系统可被用于同时测量Rayleigh和Mie散射得出风场。从以上简短概括可得 出：1）这种新型系统综合了所有激光雷达设计中的新成果，这值得推崇……”
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 18
LITE: Lidar In-space Technology Experiment
1994年，美国NASA成功地实现航天飞机搭载载激光雷达 实验LITE，为星载激光雷达的发展跨出了历史性的第一步。
LITE采用Nd:YAG激光器作为发射源，经倍频和三倍频同时输出1064 nm、532 nm和355 nm激光脉冲；望远镜直径1m；探测器针对不同波长分别使用光电倍增管 和雪崩光电二极管。激光雷达回波信号从40 km高度到地球表面回波脉冲覆盖了5到 6个数量级大小的动态范围。云的回波峰值信号变化超过2个数量级。观测任务执行时 间被分成对气溶胶、云和地球表面的观测，三个通道可以独立地设置。LITE总共运行 了53个小时，得到了覆盖地面轨迹1.4百万公里共计40 GB的数据。
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 21
1995年——国家教育委员会科技成果鉴定证书（鉴 字［教BP95］第012号） “ 该专题按合同要求研制了一套海面风场激光雷达测 风实验系统。这套系统采用了先进的非相干检测方式， 采用了多项国际前沿技术，并解决了与之有关的一系列 关键技术……” “该系统达到了合同所规定的技术指标，其中风速测 量范围、测量精度、采样距离分辨率优于合同指标……” • 国家“八五”科技攻关85-903-06-01专题“海面风场 激光遥感遥测系统”
2004-11-20 星载测风激光雷达意义与发展 5
有风场数据和无风场数据的预报结果比较
2004-11-20
星载测风激光雷达意义与发展
6
3．气象研究对大气风场的需求
[1] 所有与数值气象预报模型有关的风场数据的优点同 样也适合于用于气候研究的循环模型，因为两种模型都依 赖于同样的物理和数学原理。 [2] 风场数据对于气候研究的重要性——需要覆盖全球 的具有理想垂直分辨率和典型水平间距的风场数据。 [3] 风场数据对于分析大气成分的作用。通过ADM获得改 良的风场分析，对于研究大气化学性质和成分，以及验证 卫星对大气成分的测量都十分有益。 关于数值气象预报和大气研究方面的结论：三维风场 数据对于数值气象预报，季际到年际预报，与全球气候以 及今后发展有关的化学和气溶胶循环是非常重要的。