双边缘技术多普勒测风激光雷达

双边缘技术多普勒测风激光雷达

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2017-2-23

双边缘技术多普勒测风激光雷达研究

摘要：对双边缘技术多普勒测风激光雷达进行了介绍，描述了其应用背景和系统总体结构，对比了瑞利散射和Mie散射测风激光雷达的不同，深入介绍了两个相关系统，其中包括光纤分束器在系统中的使用。

关键词：双边缘技术；瑞利散射；Mie散射；多普勒测风激光雷达

中图分类号：TN958.98文献标识码：A

Research of the Double-edge Technique for Doppler Wind Lidar

Abstract:The double-edge technique for Doppler wind lidar is presented. The application background and the overall structure of the system are described, and the Rayleigh and Mie scattering lidar are compared.Two systems are further discussed, including the application of fiber splitter in one system.

Key word:the double-edge technique;Rayleigh scattering; Aerosol Scattering; Doppler wind lidar

1 引言

风场的观测，在科研、国防、天文等方面都有重要的学术价值和应用前景。尤其是对大气边界层以及对流层的观测，对海洋上的人类生产生活具有重要作用，可为船只提供飓风和龙卷风暴雨警报，对潮高、风暴潮、海浪等的预测；监测机场上空范围内的风切变可以为飞机、航天飞机的安全起飞和降落提供保障；填补全球对流层风场数据的空白，可提高对大气过程的理解、提高数值天气预报水平等。

多普勒激光雷达能够获得高空间和时间分辨率的大气风场，已被认为是精确测量全球三维风场的唯一有效手段。多普勒测风激光雷达具有时空分辨率高、可重复性好、探测误差小等特点。而直接测量测风激光雷达可以同时分析气溶胶和分子散射信号，能实

现全球范围（大空间范围）的风场观测，因为有些区域气溶胶密度较高，有些区域气溶胶密度相对较低[1-2]。

2双边缘技术多普勒测风激光雷达理论研究

2.1 相干探测和直接探测技术

多普勒激光雷达包括相干探测和直接探测技术。

相干探测激光雷达灵敏度和测量精度较高，可以利用大气中的Mie散射信号，是历史上最早开始研究的多普勒测风激光雷达系统，基本思想是将含有多普勒频移的大气回波光信号与不含多普勒频移的本振激光信号进行光学上的干涉，并从干涉项中提取多普勒频移信息。相干探测技术对信号光的相位、偏振态很敏感，测量灵敏度很高。但同时高的测量灵敏度对脉冲激光器的脉冲线宽和频率稳定性、光学望远镜和光学接收机的光学加工精度都提出了很高的要求。而且由于其对激光信号偏振态的敏感，激光在大气传输过程中大气扰动导致的退相干会严重的影响相干测量的结果。

直接探测的基本思路与相干探测不同。在直接探测技术中，将出射的激光脉冲与大气回波信号的频率差通过技术手段映射到光信号的强度变化或者强度分布变化上来，转化了测量对象，使测量本身不再对信号的偏振态和相干性敏感，而是仅对信号强度的变化敏感。测量的信噪比和信号强度直接挂钩。而要实现测量对象从频率变化量到光强变化量的转变，需要用到具有“频率一强度”特性曲线的器件，称之为鉴频器。风速导致的多普勒频率变化相比于激光本身的频率绝对值是一个很小的量，所以测量所使用的器件需要具有这样的输入输出特性：在微小的频率变化输入下输出可观的光强度变化或者光强分布变化。通常在脉冲测风激光雷达系统中使用的鉴频器有干涉仪，比较典型的如：Fabry-Perot(F-P)标准具、Fizeau干涉仪，Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪等；或者使用分子或原子的吸收谱线，典型的如：碘分子滤波器、钠原子滤波器等[3]。

直接探测测风激光雷达技术按照测量物理量不同，主要分为两类：条纹成像技术和边缘技术。

条纹成像技术利用干涉仪在不同频率的光信号下显现的干涉条纹位置的不同，通过分析干涉条纹位置的变化，来提取信号的频率信息，即将频率变化转化为信号强度分布变化。

边缘技术的基本思想是利用干涉仪或者分子原子吸收谱线的频域透过率曲线，将光信号在频率上的变化转变为光信号在鉴频器上的强度透过率变化。即将频率变化转化为信号强度变化。由于釆用的鉴频器透过率曲线在频域上非常陆峭，很小的信号频移就可以产生很大的透过率变化。虽然在转化待测量的过程中不可避免的引入了新的误差源，但却是一种有效的测量微小量的技术思路。

在边缘技术的两类鉴频器中，分子或原子吸收谱线作为鉴频边缘的优点是鉴频边缘的参数和特性都是固定的，由原子或分子自身的物理性质决定，避免了观测中边缘曲线自身变化引入的系统误差。但同样是由于分子或原子吸收谱线的确定性，对激光雷达的工作波长就有所限制（例如使用碘吸收谱线鉴频的激光雷达就必须使用532nm的激光

光源）[4]，而且对于激光器在观测期间的绝对频率稳定性要求很高，否则激光器出射激光的频率抖动或者长期漂移就会被系统误认为是多普勒频移，这就对激光器的温控和频率反馈调节提出了很高的要求。相比较而言，光学干涉仪则在波长适应性和对激光器稳频要求等方面相对更有优势，也使得干涉仪，尤其是F-P 干涉仪成为广泛应用于边缘技术测风激光雷达中的鉴频器[5]。

2.2 瑞利散射和Mie 散射

激光雷达对大气风速观测的物理基础是激光与大气发生相互作用，作用之后的光信号中包含了大气的风速信息。在脉冲多普勒测风激光雷达工作中，通常主要考虑瑞利散射、米散射、非弹性散射拉曼散射、布里渊散射，以及吸收、荧光等[6]。

由于激光与大气中的气体分子相互作用发生的散射主要由瑞利散射描述，基于大气分子散射的激光雷达也可以被称为瑞利激光雷达[7]。瑞利散射理论中，假定大气中的散射体是球形的，不考虑任何震动或者转动状态的影响，那么在大气中的散射体直径远小于光波长的情况下，作用在散射体上的电场可以看作是交变的均匀电场。散射体在这种电场中，只会极化产生电偶极矩，而不会产生更高级的电矩。根据电磁理论，偶极振子的辖射功率正比于振子角频率的四次方，也就是波长的负四次方。

瑞利散射以英国物理学家Lord Rayleigh 的名字命名，描述的是一种粒子尺寸小于入射光波长的光散射，其散射截面σ与入射光波长λ的关系可表示为:

41

σλ∝（1）

即散射截面反比于入射波长的四次方，测量波长λ越短，瑞利散射截面σ越大，瑞利散射回光信号越强。

由于瑞利散射粒子的尺寸小于入射光波长，所以发生瑞利散射的主要是大气中尺寸较小的各种原子和分子等。瑞利散射也是完全弹性散射，散射光波长和入射光波长相等。瑞利散射截面比Mie 散射小，但相对于其他散射机制还是比较大的，当雨后初晴大气洁净时，会看到久违的蓝天，正是因为此时大气中气溶胶较少，高空瑞利散射占主导地位，大气分子和原子对波长较短的蓝光具有较强的散射。

Mie 散射也称为米散射，是波长的函数，Mie 散射的信号强度取决于气溶胶的密度，对于不同地区、不同高度和时间，其变化范围相当大。

米散射以德国物理学家Gustav Mie 的名字命名，描述的是一种直径与激光波长相当或大于激光波长的微粒子产生的光散射，其散射截面积与粒子直径的关系为

(R)(R)(R,r)()N N r dr ππσσ∞=⎰（2） 其中，(R)N 为散射粒子数，是直径为()r πσ的粒子的后向散射截面。

由于发生Mie 散射作用的粒子尺寸与发射激光波长相同或大于激光波长，所以发生米散射的主要是大气中颗粒较大的气溶胶粒子。米散射是完全弹性散射，回光信号波长与发射波长相同，不能反映散射物质的结构信息，但米散射散射截面较大，且后向散射较强，会产生较大的后向散射信号，且散射截面与波长无明显依赖关系，这正是大量气