激光雷达测风技术ppt课件.ppt

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1、激光雷达测风技术（3）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

2、胶散射测量：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）非相干DIALCO2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m1m大气层:低层高层相干测风X3非相干测风OPO泵浦非相干DIALO3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0.30-0.32mm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0.355mm共性问题全球激光雷达探测战略（1）全球激光雷达探测战略（2）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流层低

3、对流层高对流层平流层垂直范围km0-22-1616-300-55-1616-20垂直分辨率km0.10.52.051010风分布数/hour30,000100风分布间距km50>500时间采样hour312测量精度m/s1.51.52555水平积分区域km5050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相干外差探测非相干直接探测工作波长10mm2mm1.5mm1.06mm532nm355nm激光器状态CO2激光器Tm:YLuAGTmHo:YAGRaman激光器OPO-Nd:YAGEr激光器Nd:YAG倍频Nd:YAG可见

4、光三倍频Nd:YAG优点宽带探测可调谐本振相干非相干最佳的激光技术硅探测器分子散射探测对象MieMieMieMieMieRayleighMieRayleigh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原子吸收产生的多普勒频移原子共振吸收频

5、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：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：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fsig=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

6、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(Fringepatternimaging)（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；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：频率分析器双边缘滤波器：频率分析器条纹图

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

8、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多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；在上部