激光雷达测风技术优质课件.ppt

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1、激光雷达测风技术,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,大气风场数据获得的手段地球表面观测系统,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

2、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）,激光雷达测风技术特点优势：（与其它方式比较）,非相干DIAL CO2,脉冲激光器发展,二极管泵浦单频可更换恶劣条件长寿命,2 m,1 m,大气层:低层 高层,相干测风,X3,非相干测风,OPO,泵浦,非相干DIAL O3,高精度高分辨率低对流层和云,全球范围中分辨率中精度中高层大气,mm,相干海洋、河流表面流速,高功率激光测高仪,混合型激光雷达,0.355 mm,共性问题,全球激光雷达探测战略（1）,非相干脉冲激光器发展二极管泵浦2 m1 m大气层:相干测,全球激光雷达

3、探测战略（2）,全球激光雷达探测战略（2）,WMO的全球风测量技术指标,WMO的全球风测量技术指标单位理想要求最低要求边界层对流层平,激光雷达测风技术发展趋势,激光雷达测风技术发展趋势工作波段趋向短波长探测方式 相 干,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,激光多普勒测风雷达的分类直探式（相对强度检测）,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

4、：,对于前向散射,对于后向散射,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,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：,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,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：,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,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、信号回波频率fsi

5、g=f0+f，则在光混频后得到和频和差频，即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,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,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 pa

6、ttern imaging)（4）主要思路：光强变化率频移径向速度； 光强变化量频移径向速度； 光强空间分布频移径向速度；,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,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,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,单边缘滤波器：频率分析器,单边缘滤波器：频率分析器,双边缘滤波器：频率分析器,双边缘滤波器：频率分析器,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,条纹图

7、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,矢量风速反演方法,矢量风速V (u, v, w) 是少需要三个独立的径向速度估计理想情况下：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,矢量风速反演方法矢量风速V

8、(u, v, w) 是少需要三个,多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；在上部，DRS扫描,多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；在上部，DRS扫,VAD 扫描矢量风场反演,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：,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。,上式还可表示为：,a：补偿量，b:振幅，max 周相位移动,VAD 扫描矢量风场反演 对于VAD扫描：仰角是常量，方位,激光雷达测风技术优质课件,DBS 扫描矢量风场反演

9、,-天顶角,VRZ, VRE, VRN 分别是径向速度垂直、东向倾斜和北向倾斜分量,DBS 扫描矢量风场反演 -天顶角VRZ, VRE, VR,改进型DBS扫描矢量风场反演,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,改进型DBS扫描矢量风场反演激光雷达波束分别是垂直向、向北、,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。,相干激光测风雷达结构Master oscillator (M,相干激光

10、测风雷达波长选择,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。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。分子散射截面与-4成比例，气溶胶散射与-2或+1成比例。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。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111m,相干激光测风雷达波长选择 原则上，相干激光测风雷达可以选择任,MOPA 与 SOPA 发射机比较,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

11、是低功率的单频连续激光器再生放大器是高功率调Q脉冲激光器主振荡和功率放大激光器MOPA is master oscillator and power amplifier. 对于相干探测，发射机必须有非常窄的带宽（如1MHz）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。,MOPA 与 SOPA 发射机比较种子注入再生放大和功率放大,“ SOPA is injection-seeded slave oscillator and power amplifier”Tm: YAG （钇铝石榴石）Tm, Ho: LuAG （镥铝石榴石） 相 干 外 差 探 测 MOPA 与 SOPA

12、 发射机比较1 km (可调)多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；风速分量精度(m/s)NASA LaRC Jirong YU博士的工作TODWL相干激光多普勒测风雷达GWOLF (Ground based wind Observing Lidar Facility)几种Tm, Ho双掺杂激光物质比较激光多普勒测风雷达的分类500Hz 10HzVR 0, w 0, u 0, v 0耦合效率高，连续泵浦，高重频,NOAA mini-MOPA CO2 Coherent Lidar,“ SOPA is injection-seeded sla,NOAA HRDL (A SOPA Lidar)

13、,NOAA HRDL (A SOPA Lidar),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（对于532nm),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,激光雷达的后向散射信号,激光雷达的后向散射信号光子探测器频率发射激光接收信号多普勒频,时间空间的对应关系,时间空间的对应关系时间 t接收信号强度发射激光脉冲卷云t,后向散射信号的频谱,分子散射谱宽度 气溶胶散射谱宽度发射激光谱宽度（约90MHz）,后向散射信号的频谱 分子散射谱宽度,双F-P标准具

14、多普勒检测,双F-P标准具多普勒检测,Mie散射和分子散射速度测量,Mie散射和分子散射速度测量中心n10 中心n20 双通道F,NASA/Goddard车载测风激光雷达,NASA/Goddard车载测风激光雷达参 数指 标激光,MAC地基测风激光雷达,MAC地基测风激光雷达参 数指 标激光器：波长355nm,法国OHP观测站,法国OHP观测站参 数指 标激光器：波长532nm脉冲能,ESA/ADM Aeolus全球激光测风雷达,ESA/ADM Aeolus全球激光测风雷达参 数指,欧洲航天局的ALADIN计划,ALADIN( Atmospheric Laser Doppler Lidar I

15、N 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。,欧洲航天局的ALADIN计划 ALADIN( Atmosp,ALADIN工作示意图,ALADIN工作示意图,ALADIN装调部分照片,ALADIN装调部分照片,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：m(CO2)相

16、干激光多普勒测风雷达1.06 m(YAG)相干激光多普勒测风雷达2m(Tm:YAG,Tm,Ho:YLF）相干激光多普勒测风雷达,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,洛-马公司机载CO2相干激光多普勒雷达,技术参数技术指标波长(m)10.6脉冲能量(mJ)10脉冲,CLAWS-YAG相干激光多普勒测风雷达,1993年CLAWS (Coherent Atmospheric Wind Sounder) 已装备肯尼迪航天中心,CLAWS-YAG相干激光多普勒测风雷达技术参数技术指标波长,CLAWS-YAG原理光路图,CLAWS-YAG原理光路图,激光雷达测风技术优质课件,2m相

17、干激光多普勒测风雷达（1）,2m相干激光多普勒测风雷达的优势LD泵浦2m激光器，小型化相干激光雷达理想光源之一2m，大气窗口，大气透过率，优于传统的1.06mYAG激光器 和10.6 mCO2激光器与蓝绿或紫外直探式激光测风雷达相比，2m红外波段，人眼安全以上) ，军事保密性强脉冲外差体制，较容易能实现高灵敏度、高精度大气风场探测,2m相干激光多普勒测风雷达（1）2m相干激光多普勒测风雷,2m激光器的研究现状,单掺杂2m激光器（室温，低能量）Tm: YAG （钇铝石榴石） Tm: LuAG （镥铝石榴石） 双掺杂2m激光器（低温，高能量）Tm, Ho: YAG（钇铝石榴石） Tm, Ho: Y

18、LF（氟化钇锂）激光器Tm, Ho: GdVO4（钒酸钆)Tm, Ho: LuAG （镥铝石榴石）Tm, Ho: LuLF （氟化镥锂）Tm, Ho: KLF； Tm, Ho: GLFTm激光器泵浦Ho激光器,2m激光器的研究现状单掺杂2m激光器（室温，低能量）,室温下LuLF和YLF性能比较,室温下LuLF和YLF性能比较反射率LuLFYLF阈值(J),几种Tm, Ho双掺杂激光物质比较,几种Tm, Ho双掺杂激光物质比较YLFLuAGGdVO4L,NASA LaRC Jirong YU博士的工作,NASA LaRC Jirong YU博士的工作,NASA LaRC Jirong YU博士的

19、工作,NASA LaRC Jirong YU博士的工作,激光雷达测风技术优质课件,1995年10阵列22路冷却,2002年6阵列8路冷却,2003年6阵列4路冷却,2004年6阵列,1995年2002年2003年2004年,2m种子激光器技术,微腔,耦合腔,标准具,单向环形腔,2m种子激光器技术微腔耦合腔标准具单向环形腔,径向速度精度(m/s)近地面水平作用距离有限（由于大气衰减）双F-P标准具多普勒检测双掺杂2m激光器（低温，高能量）NOAA HRDL (A SOPA Lidar)06 m(YAG)相干激光多普勒测风雷达光强变化率与风速和温度变化曲线MOPA 与 SOPA 发射机比较长波长可

20、以减小分子散射，一般相干激光测风雷达的波长选择在111m模式匹配不佳，耦合效率低；Tm: YAG （钇铝石榴石）大气风场数据获得的手段风速分量精度(m/s)ALADIN工作示意图欧洲航天局的ALADIN计划2m相干激光多普勒测风雷达（1）“ SOPA is injection-seeded slave oscillator and power amplifier”,2m激光泵浦技术,纵向（端面）泵浦技术泵浦光与激光振荡模式匹配能量利用率高，光束质量好耦合效率高，连续泵浦，高重频横向（侧面）泵浦技术耦合光学系统简单泵浦光注入能量大，高能量输出模式匹配不佳，耦合效率低；脉冲泵浦，重频低,径向速度精

21、度(m/s)2m激光泵浦技术纵向（端面）泵浦技术,2m激光调Q脉冲技术,M4,M1,M3,M2,Q-Switch,Etalon,Tm, Ho: YLF,四镜环形腔结构,2m激光调Q脉冲技术M4M1M3M2Q-SwitchEta,2m相干激光多普勒测风雷达,1990年美国相干技术公司(CTI)研制出世界上第一台2m相干激光多普勒测风雷达2001年“NOSA”TODWL (Twin Otter Doppler Wind Lidar)（2001NOSA海军机载）GWOLF (Ground based wind Observing Lidar Facility)2001年NASA的 VALIDAR (

22、Validation LIDAR)Win Trace（美国CTI相干公司开发的商用机型）JEM-CDL (Japanese Experiment Module-Coherent Doppler Lidar) (NASA与日本航天局国际空间站）,2m相干激光多普勒测风雷达1990年美国相干技术公司(CT,TODWL相干激光多普勒测风雷达,TODWL相干激光多普勒测风雷达技术参数技术指标波长(m),GWOLF相干激光多普勒测风雷达,GWOLF相干激光多普勒测风雷达技术参数技术指标波长(m),VILIDAR相干激光多普勒测风雷达,VILIDAR相干激光多普勒测风雷达技术参数技术指标波长（,WinTr

23、ace相干激光多普勒测风雷达(1),WinTrace相干激光多普勒测风雷达(1),WinTrace相干激光多普勒测风雷达(2),WinTrace相干激光多普勒测风雷达(2),WinTrace原理光路图,WinTrace原理光路图,WinTrace相干激光多普勒测风雷达(3),雷达系统参数,扫描系统参数,技术参数技术指标脉冲重复频率500Hz 10Hz脉冲能量2,JEM-CDL相干激光多普勒测风雷达,JEM-CDL相干激光多普勒测风雷达技术参数技术指标波长(,微脉冲相干多普勒激光雷达原理,N 个脉冲积累; 相干积累时间为 T. 分辨率为：t/T,微脉冲相干多普勒激光雷达原理 N 个脉冲积累; 相干积累时间,本振光线宽,本振光线宽,风向的判别,外差信号：,外差信号正交解调：,低通滤波：,风向的判别外差信号：外差信号正交解调：低通滤波：,距离多普勒模糊,利用调焦和编码减小速度模糊问题,距离多普勒模糊 利用调焦和编码减小速度模糊问题,与距离相关的回波功率,1 detected photon per pulse per range gate Overall system M2,与距离相关的回波功率 1 detected photon,感谢观看,感谢观看,