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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
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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
倍频 Nd:YAG 可见光
硅探测器 Mie Rayleigh
优点
宽带探测
可调谐本振
最佳的 激光技术 Mie
分子散射 Mie Rayleigh
探测对象
Mie
Mie
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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
– 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
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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
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
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
卷云
vd v , 2 vd - - - 多普勒频率
时间 t 距离r
发射激光 脉冲
- - - 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）
Zero Doppler shift
Doppler shift
Signal Intensity
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
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单边缘滤波器：频率分析器
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双边缘滤波器：频率分析器
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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
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MAC地基测风激光雷达
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率
指 标 355nm, 532nm 400mJ 10Hz
望远镜：口径 扫描方式
测量范围 距离分辨率
50cm 经纬仪平台
0.5~20km 0.25km
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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
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：
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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
35
1.1 m 355 nm 13 W@100 Hz -1~26.5km (可扩 展) 1 km (可调)
水平积分长度
信号处理距离
3.5km (可调)
50 km
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欧洲航天局的ALADIN计划
ALADIN( Atmospheric Laser Doppler Lidar IN strument )
01 L
02
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Mie散射和分子散射速度测量
Etalon 1 Etalon 2 Mie signal
中心 10
中心 20
双通道F-P 标准具
Rayleigh signal
Frequency
Mie signal
中心 10
Rayleigh signal
中心 20
Etalon 1

Intensity
0 L
T1() I01
Intensity
T2()
Backscattered signal IL I02 Laser
d
1 I0

I 01 I L I 02 I L 1 I 01 I 02 T1 ' ( L ) T2 ' ( L ) I 0 T ' ( L )


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
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原子吸收产生的多普勒频移
Etalon 2
双通道F -P 标准具
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
大气粒子
信号 多普勒频移 发射激光 接收信号 频率
风矢量
接收信号
卷云
谱分析仪
光子探测器
发射激光
时间
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时间－空间的对应关系
ct ct r , r 2 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
t r
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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：
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
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 1~11m
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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
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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。
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相干激光测风雷达波长选择
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。
激光雷达测风技Biblioteka （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