對流層風場、大氣退偏比等參數是風能源開發供應、航空安全、大型建築物和重大工程安全設計、城市規劃和防災管理等的重要參數，也是大氣汙染物稀釋、擴散、輸送的重要參數。目前，使用基於(yu) 米氏散射原理的相幹多普勒測風激光雷達，可以實現從(cong) 地麵到對流層無盲區的大氣參數觀測，並且具有高精度、高分辨率、大探測範圍等優(you) 點，成為(wei) 國際研究的重點。


目前，美國航空航天局(NASA)、美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)、美國洛克希德馬丁公司(LMCT)、美國雷神公司(Raytheon)、日本三菱公司、法國Leosphere公司等相繼開展了理論和實驗研究，並進行了商業(ye) 化樣機的研製。


國內(nei) 相幹激光雷達主要研究單位包括中國科學技術大學(USTC)、中國電子科技集團公司第二十七研究所(CETC27)、中國科學院上海光學精密機械研究所(SIOM)、哈爾濱工業(ye) 大學(HIT)、中國海洋大學(OUC)、北京理工大學(BIT)等。


相幹激光雷達研究現狀

全光纖相幹多普勒測風激光雷達係統可以分為(wei) 激光光源模塊、發射接收模塊及後期的信號處理模塊。

 

相幹測風激光雷達的優(you) 點：

1)相幹探測采取拍頻的方式將後向散射信號放大，理論上信噪比可達到量子噪聲極限；

2)相幹激光雷達要求本振光及信號光的波前匹配，因此相幹激光雷達對背景噪聲、探測器噪聲具有抑製作用，可實現在無濾波器條件下的連續觀測；

3)相幹測風激光雷達無需光學鑒頻器，接收光路簡單，對溫度梯度、應力梯度不敏感；

4)隨著激光波長的增加，單光子能量E0=hν逐漸減小(其中h為(wei) 普朗克常量)，從(cong) 而導致探測難度增加。與(yu) 直接探測采用價(jia) 格昂貴的超導探測器、上轉換探測器等相比，相幹探測常采用平衡探測器，縮減了係統成本。

 

相幹激光雷達波長選取時要考慮到：1）大氣透過率；2) 人眼安全，激光增益介質；3)光纖損耗；4)天空背景輻射。



相幹激光雷達波長主要集中在1.5 μm和2.0 μm，同時1.5 μm波段為(wei) 通信波段，各種光器件比較成熟，使得1.5 μm成為(wei) 目前的主流波段。



氣體(ti) 相幹測風激光雷達

CO2激光器具有高能量轉化效率、穩定的單頻率激光輸出、高能量的脈衝(chong) 和連續波輸出、大氣透射窗口好、人眼安全的激光波長等特點，被相幹雷達係統大規模使用。

 

第一台基於(yu) 連續波(CW)CO2激光器的相幹多普勒測風激光雷達由NASA的Huffaker研製成功。1968年，Raytheon和NASA合作對該係統進行升級，解決(jue) 了大風速情況下係統失能的問題，並用於(yu) 實現幾百米高空情況下由飛機產(chan) 生的渦流和大氣邊界層內(nei) 風場的探測。英格蘭(lan) 的Vaughan課題組使用基於(yu) CW CO2相幹多普勒測風激光雷達係統實現了對氣溶膠後向散射的探測。

 

1970年代，美國雷神公司成功研製出脈衝(chong) 式CO2相幹多普勒測風激光雷達，並將其用於(yu) 商業(ye) 航班路線上晴空湍流的探測。1984年，NOAA基於(yu) 10.6 μm的CO2激光雷達，對大氣風場進行了測量，並和風速計、氣球及微波雷達的測量結果進行了比較。

 

1980年代，為(wei) 了進一步縮小激光器體(ti) 積並增加激光器的功率，橫向激勵氣體(ti) (TEA)激光器開始被使用，基於(yu) TEA技術，激光單脈衝(chong) 能量可達到100 mJ。1980年代中期，美國的Hardensty課題組及其他機載測風項目的課題組，開始使用單脈衝(chong) 能量1 J，脈衝(chong) 重複頻率20 Hz的脈衝(chong) 式CO2激光器作為(wei) 相幹多普勒測風激光雷達的光源。

 

美國大氣研究中心(NCAR)的Mayor等和加州理工大學的Kavaya等使用波長為(wei) 9.25 μm和10.6μm的TEA CO2相幹多普勒測風激光雷達開展了大氣折射率結構常數、湍流和大氣後向散射參數測量的相關(guan) 工作。法國國家科學院(CNRS)的Flamant和德國航空太空中心(DLR)的Werner課題組合作進行了基於(yu) TEA CO2激光器的機載脈衝(chong) 式相幹多普勒測風激光雷達的研究。

 

不過，CO2激光器能耗高、體(ti) 積大、工作環境要求低溫等缺點限製了其發展。



1.06 μm相幹激光雷達

隨著Nd:YAG激光器發展，1985年，斯坦福大學的Kane課題組研發了基於(yu) Nd:YAG激光器的1.06 μm波長相幹多普勒測風激光雷達，該係統實現了600 m風場和2.7 km的雲(yun) 層探測。

 

1988年，Kavaya等研發出了1.06 μm波長的相幹多普勒測風激光雷達係統，該雷達實現了3.75 km的水平風場探測距離。

 

隨後，在美國相幹技術公司(CTI)、NASA馬歇爾太空飛行中心(MSFC)和NASA蘭(lan) 利研究中心(LaRC)的共同合作下，該係統的脈衝(chong) 能量升級為(wei) 1 J，脈衝(chong) 重複頻率為(wei) 10 Hz，在肯尼迪宇航中心(KSC)，為(wei) 發現者號航天飛機發射和著陸過程提供氣象保障，實現了地表到26 km高度的風場探測。考慮到人眼安全，1.06 μm逐漸被1.5 μm和2.0 μm波長取代。



1.5 μm相幹激光雷達

2000年以後，得益於(yu) 光纖通信技術的發展，結構更為(wei) 緊湊、發光效率更高、成本更低的1.5 μm波長的相幹多普勒測風激光雷達係統成為(wei) 研究的新熱點。

從(cong) 第一台基於(yu) CO2激光器的相幹多普勒測風激光雷達問世以來，LMCT和CTI就一直在致力於(yu) 相幹多普勒測風激光雷達的研究。

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inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2002年，LMCT發布了基於(yu) 2.0 μm的WindTracer商用相幹多普勒測風激光雷達係統。目前已經升級為(wei) 基於(yu) 1.617 μm的Er∶YAG激光器。NASA使用商用WindTracer係統進行了飛機風切變、晴空湍流等探測，於(yu) 2009年在丹佛國際機場對飛機渦流進行了建模和預測。

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inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>由於(yu) 3 mJ的單脈衝(chong) 能量導致WindTracer對激光器的性能、光學器件的品質等要求都很高，造成器件的壽命都很短且極易發生損壞，因此係統的適用性差。 NASA研發了基於(yu) Er∶Glass光纖激光器的全光纖Windimager相幹多普勒測風激光雷達係統。

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inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2010年8月，NCAR的Spuler等基於(yu) 連續波相幹多普勒測風激光雷達，在12 km高空進行了飛機前方湍流探測的機載實驗。

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?> 

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2011年，FiberTek公司的Akbulut等進行了湍流和波音747飛機尾流的數值模擬，並使用該公司自己研發的相幹多普勒測風激光雷達進行了實際探測。

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?> 

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2016年，FiberTek公司進一步提高了激光雷達的脈衝(chong) 能量。使用中心波長為(wei) 1572.3 nm，脈衝(chong) 能量440 μJ的激光雷達實現了二氧化碳氣體(ti) 探測。

日本三菱電機有限公司(MEC)

從(cong) 20世紀90年代後期開始致力於(yu) 相幹多普勒測風激光雷達的研究工作。

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>1998年，三菱電機公司的Asaka等使用1.53 μm波長的半導體(ti) 種子激光器，這是世界上首台基於(yu) 1.5 μm人眼安全波長的相幹多普勒測風激光雷達。

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?> 

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>全光纖係統具有結構緊湊、方便組裝和維護、成本低、係統更穩定等諸多優(you) 點，因此三菱公司從(cong) 2002年起開始報道其全光纖相幹多普勒測風激光雷達係統的研發成果，完成了機載驗證實驗，並於(yu) 2003年推出首台原理樣機。

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inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2006年，又推出了商用的全光纖相幹多普勒測風激光雷達係統LR-05FC。2010年，升級之後的LR-08FS係統被用於(yu) 香港機場。

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?> 

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2012年，Sakimura等使用Er，Yb∶Glass平麵波導技術和二級激光放大技術，對出射激光輸出功率進一步放大，實現了超過30 km的水平風場探測距離。

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?> 

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2014年，三菱電機公司又報道了該係統在機載實驗中的結果。在12 km飛行高度時，該係統可以實現大於(yu) 9 km的水平探測距離，可以用於(yu) 提前30 s發現飛機前方的晴空湍流。

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>法國航空航天中心(onERA

2008年，法國航空航天中心(ONERA)首次報道了基於(yu) 1.5 μm光纖激光器的相幹多普勒測風激光雷達 ，並使用該係統進行了飛機尾流的探測。在考慮到光纖的受激布裏淵現象之後，ONERA自主研發了摻Er，Yb的光纖激光放大器。

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inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2009年，ONERA對第一代相幹多普勒測風激光雷達係統進行了升級，進一步將激光器的脈衝(chong) 能量提高至120 μJ，實現了飛機尾流的探測。

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?> 

inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2014年，通過在大模場麵積的光纖中加入應力等方式，ONERA進一步提高了光纖的受激布裏淵閾值，在單脈衝(chong) 能量370μJ的情況下，實現了超過10 km的風場探測距離。

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inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>2015年，ONERA通過使用多個(ge) 光纖放大器並聯，提高了光纖激光器的激光脈衝(chong) 能量。通過與(yu) Leosphere公司合作，該激光器已經應用於(yu) WindCube產(chan) 品中，並進行了災難天氣預測、機場風切變監測等外場實驗。

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inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>法國Leosphere，與(yu) ONERA和丹麥科技大學(DTU)都有合作關(guan) 係。其產(chan) 品分為(wei) 陸基WindCube係列和風電機艙雷達Windiris係列，廣泛應用於(yu) 風力發電、航空安全保障、天氣預報、空氣質量監測等。 

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inkMacSystemFont,; COLOR: #3e3e3e" font-size:16px;text-indent:0px;background-color:#FFFFFF;?>英國ZephIR公司為(wei) 英國QinetiQ公司的子公司。在20世紀90年代中期，QinetiQ公司就致力於(yu) 使用光纖激光器替代當時相幹多普勒測風激光雷達係統中使用的CO2激光器，並於(yu) 20世紀90年代後期成功研究了全光纖的連續波相幹多普勒測風激光雷達係統，且在2002年成功研究了全光纖的脈衝(chong) 式相幹多普勒測風激光雷達係統，同時與(yu) DTU合作，將其係統用在風力發電領域。

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葉變換、周期圖算法，到聯合時頻分析等信號處理方法應用，從(cong) 時間-頻率域刻畫了信號全貌，提高了係統的距離分辨率。