激光雷達測風(fēng)技術(shù)ppt課件.ppt

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1、激光雷達測風(fēng)技術(shù)（3）大氣風(fēng)場數(shù)據(jù)獲得的手段地球表面觀測系統(tǒng)地面、海面、風(fēng)散射儀等，只能提供表面大氣層的數(shù)據(jù)高空單層大氣觀測系統(tǒng)機載和星載的云圖變化的風(fēng)場推算數(shù)據(jù)，該方式覆蓋范圍受限高空多層大氣觀測系統(tǒng)無線電探空儀和衛(wèi)星探測器，無線電探空儀能夠提供風(fēng)場的垂直分布情況，但是它主要是在北半球的陸地，很難給出大覆蓋范圍的觀測數(shù)據(jù)激光雷達測風(fēng)技術(shù)特點優(yōu)勢：（與其它方式比較）空間分辨率高（角分辨率?rad量級）時間分辨率高高測量精度（低對流層<1m/s，中高層<3m/s）覆蓋范圍大（全球范圍），適合星載平臺全球的分子散射測量：尤其在海洋或南半球氣溶

2、膠散射測量：在低大氣層和陸地上空劣勢：適合晴天工作，大氣穿透能力差（不適合霧、雨、雪天）近地面水平作用距離有限（由于大氣衰減）非相干DIALCO2脈沖激光器發(fā)展二極管泵浦單頻可更換惡劣條件長壽命2?m1?m大氣層:低層高層相干測風(fēng)X3非相干測風(fēng)OPO泵浦非相干DIALO3高精度高分辨率低對流層和云全球范圍中分辨率中精度中高層大氣0.30-0.32mm相干海洋、河流表面流速高功率激光測高儀混合型激光雷達0.355mm共性問題全球激光雷達探測戰(zhàn)略（1）全球激光雷達探測戰(zhàn)略（2）WMO的全球風(fēng)測量技術(shù)指標單位理想要求最低要求邊界層對流層平流層低

3、對流層高對流層平流層垂直范圍km0-22-1616-300-55-1616-20垂直分辨率km0.10.52.051010風(fēng)分布數(shù)/hour30,000100風(fēng)分布間距km50>500時間采樣hour312測量精度m/s1.51.52555水平積分區(qū)域km5050激光雷達測風(fēng)技術(shù)發(fā)展趨勢工作波段趨向短波長探測方式?相干外差探測??非相干直接探測?工作波長10mm2mm1.5mm1.06mm532nm355nm激光器狀態(tài)CO2激光器Tm:YLuAGTmHo:YAGRaman激光器OPO-Nd:YAGEr激光器Nd:YAG倍頻Nd:YAG可見

4、光三倍頻Nd:YAG優(yōu)點寬帶探測可調(diào)諧本振相干非相干最佳的激光技術(shù)硅探測器分子散射探測對象MieMieMieMieMieRayleighMieRayleigh激光多普勒測風(fēng)雷達的分類直探式（相對強度檢測）邊緣技術(shù)單邊緣、雙邊緣條紋技術(shù)環(huán)形條紋、直列條紋分子吸收技術(shù)I2分子吸收相干式（直接頻率檢測FFT）外差技術(shù)本振光與信號光自差技術(shù)多頻率發(fā)射光本身超外差技術(shù)本振光與多頻率信號光大氣分子或氣溶膠散射產(chǎn)生的多普勒頻移根據(jù)動量守恒和能量守恒定理：大氣分子或氣溶膠散射產(chǎn)生的多普勒頻移：對于前向散射對于后向散射原子吸收產(chǎn)生的多普勒頻移原子共振吸收頻

5、率為：根據(jù)動量守恒和能量守恒定理：多普勒頻移為：原子吸收截面由于多普勒頻移而展寬：對于原子自發(fā)輻射有：根據(jù)動量守恒和能量守恒定理：多普勒頻移：自發(fā)輻射光子與紊亂光子之間的多普勒頻移：在后向散射情況下，其多普勒頻移：相干探測測風(fēng)技術(shù)原理：假設(shè)本振光頻率fLO、激光脈沖發(fā)射頻率f0=fLO+foffset、信號回波頻率fsig=f0+?f，則在光混頻后得到和頻和差頻，即這時探測器只能響應(yīng)低頻部分，即中頻信號：散射信號在窄帶濾波時變得很強精度：原則上沒有偏差測量準確性：不決定于風(fēng)速直接探測測風(fēng)技術(shù)原理：不使用本振光進行解調(diào)，直接使用光頻鑒頻器或

6、光譜分析儀，將多普勒頻移轉(zhuǎn)變成光強/光功率的變化，或轉(zhuǎn)化成光強/光功率的空間分布；光頻譜分辨儀器主要采用以下三種類型：（1）原子吸收線，例如Na、K和Fe，使用全部共振吸收譜線（2）邊緣濾波器，利用分子吸收線邊緣發(fā)射（如I2吸收線），或光干涉儀（如F-P標準具）邊緣發(fā)射（3）光干涉儀條紋圖像(Fringepatternimaging)（4）主要思路：光強變化率?頻移?徑向速度；光強變化量?頻移?徑向速度；光強空間分布?頻移?徑向速度；原子吸收線：頻率分析器光強變化率與風(fēng)速和溫度變化曲線單邊緣濾波器：頻率分析器雙邊緣濾波器：頻率分析器條紋圖

7、像：頻率分析器高分辨率光干涉儀產(chǎn)生空間輻照度分布，亦即代表接收面信號光譜平均頻率利用其中一個圖樣估計，即鎖定峰值照度，計算照度分布的一階統(tǒng)計量，類似于被動干涉儀，利用同心環(huán)直徑確定頻移矢量風(fēng)速反演方法矢量風(fēng)速V(u,v,w)是少需要三個獨立的徑向速度估計理想情況下：矢量風(fēng)速應(yīng)該在空間某一點同時測量出它的三個方向的速度值，即至少需要三部激光雷達系統(tǒng)實際情況下：確定風(fēng)場的水平方向，利用激光雷達的掃描技術(shù)確定風(fēng)速的矢量。常用以下兩種掃描技術(shù)：速度方位顯示掃描技術(shù)(Velocity-azimuth-display,VAD)，即激光雷達光束以固定傾

8、角進行圓錐形掃描多普勒光束定向擺動掃描技術(shù)(Doppler-Beam-Swinging，DBS)，即點激光雷達光束垂直指向并向東傾斜和向北傾斜多普勒激光雷達掃描技術(shù)：在底部，VAD掃描；在上部