激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)ppt課件.ppt

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1、激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)（3）大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲得的手段地球表面觀測(cè)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(cè)系統(tǒng)機(jī)載和星載的云圖變化的風(fēng)場(chǎng)推算數(shù)據(jù)，該方式覆蓋范圍受限高空多層大氣觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)線電探空儀和衛(wèi)星探測(cè)器，無(wú)線電探空儀能夠提供風(fēng)場(chǎng)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(cè)數(shù)據(jù)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（與其它方式比較）空間分辨率高（角分辨率?rad量級(jí)）時(shí)間分辨率高高測(cè)量精度（低對(duì)流層<1m/s，中高層<3m/s）覆蓋范圍大（全球范圍），適合星載平臺(tái)全球的分子散射測(cè)量：尤其在海洋或南半球氣溶

2、膠散射測(cè)量：在低大氣層和陸地上空劣勢(shì)：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(zhǎng)壽命2?m1?m大氣層:低層高層相干測(cè)風(fēng)X3非相干測(cè)風(fēng)OPO泵浦非相干DIALO3高精度高分辨率低對(duì)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(cè)高儀混合型激光雷達(dá)0.355mm共性問(wèn)題全球激光雷達(dá)探測(cè)戰(zhàn)略（1）全球激光雷達(dá)探測(cè)戰(zhàn)略（2）WMO的全球風(fēng)測(cè)量技術(shù)指標(biāo)單位理想要求最低要求邊界層對(duì)流層平流層低

3、對(duì)流層高對(duì)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(shí)間采樣hour312測(cè)量精度m/s1.51.52555水平積分區(qū)域km5050激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)工作波段趨向短波長(zhǎng)探測(cè)方式?相干外差探測(cè)??非相干直接探測(cè)?工作波長(zhǎng)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(jiàn)

4、光三倍頻Nd:YAG優(yōu)點(diǎn)寬帶探測(cè)可調(diào)諧本振相干非相干最佳的激光技術(shù)硅探測(cè)器分子散射探測(cè)對(duì)象MieMieMieMieMieRayleighMieRayleigh激光多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)的分類直探式（相對(duì)強(qiáng)度檢測(cè)）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(cè)FFT）外差技術(shù)本振光與信號(hào)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(hào)光大氣分子或氣溶膠散射產(chǎn)生的多普勒頻移根據(jù)動(dòng)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(duì)于前向散射對(duì)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(dòng)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(duì)于原子自發(fā)輻射有：根據(jù)動(dòng)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(cè)測(cè)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(hào)回波頻率fsig=f0+?f，則在光混頻后得到和頻和差頻，即這時(shí)探測(cè)器只能響應(yīng)低頻部分，即中頻信號(hào)：散射信號(hào)在窄帶濾波時(shí)變得很強(qiáng)精度：原則上沒(méi)有偏差測(cè)量準(zhǔn)確性：不決定于風(fēng)速直接探測(cè)測(cè)風(fēng)技術(shù)原理：不使用本振光進(jìn)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(qiáng)/光功率的變化，或轉(zhuǎn)化成光強(qiáng)/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(biāo)準(zhǔn)具）邊緣發(fā)射（3）光干涉儀條紋圖像(Fringepatternimaging)（4）主要思路：光強(qiáng)變化率?頻移?徑向速度；光強(qiáng)變化量?頻移?徑向速度；光強(qiáng)空間分布?頻移?徑向速度；原子吸收線：頻率分析器光強(qiáng)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(hào)光譜平均頻率利用其中一個(gè)圖樣估計(jì)，即鎖定峰值照度，計(jì)算照度分布的一階統(tǒng)計(jì)量，類似于被動(dòng)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(gè)獨(dú)立的徑向速度估計(jì)理想情況下：矢量風(fēng)速應(yīng)該在空間某一點(diǎn)同時(shí)測(cè)量出它的三個(gè)方向的速度值，即至少需要三部激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)際情況下：確定風(fēng)場(chǎng)的水平方向，利用激光雷達(dá)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(dá)光束以固定傾

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