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對流層風場、大氣退偏比等參數(shù)是風能源開發(fā)供應(yīng)、航空安全、大型建筑物和重大工程安全設(shè)計、城市規(guī)劃和防災管理等的重要參數(shù)，也是大氣污染物稀釋、擴散、輸送的重要參數(shù)。目前，使用基于米氏散射原理的相干多普勒測風激光雷達，可以實現(xiàn)從地面到對流層無盲區(qū)的大氣參數(shù)觀測，并且具有高精度、高分辨率、大探測范圍等優(yōu)點，成為國際研究的重點。


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，并進行了商業(yè)化樣機的研制。


國內(nèi)相干激光雷達主要研究單位包括中國科學技術(shù)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(yè)大學(HIT)、中國海洋大學(OUC)、北京理工大學(BIT)等。


相干激光雷達研究現(xiàn)狀

全光纖相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)可以分為激光光源模塊、發(fā)射接收模塊及后期的信號處理模塊。

 

相干測風激光雷達的優(yōu)點：

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

2)相干激光雷達要求本振光及信號光的波前匹配，因此相干激光雷達對背景噪聲、探測器噪聲具有抑制作用，可實現(xiàn)在無濾波器條件下的連續(xù)觀測；

3)相干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(yīng)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為普朗克常量)，從而導致探測難度增加。與直接探測采用價格昂貴的超導探測器、上轉(zhuǎn)換探測器等相比，相干探測常采用平衡探測器，縮減了系統(tǒng)成本。

 

相干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(zhì)；3)光纖損耗；4)天空背景輻射。



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



氣體相干測風激光雷達

CO2激光器具有高能量轉(zhuǎn)化效率、穩(wěn)定的單頻率激光輸出、高能量的脈沖和連續(xù)波輸出、大氣透射窗口好、人眼安全的激光波長等特點，被相干雷達系統(tǒng)大規(guī)模使用。

 

第一臺基于連續(xù)波(CW)CO2激光器的相干多普勒測風激光雷達由NASA的Huffaker研制成功。1968年，Raytheon和NASA合作對該系統(tǒng)進行升級，解決了大風速情況下系統(tǒng)失能的問題，并用于實現(xiàn)幾百米高空情況下由飛機產(chǎn)生的渦流和大氣邊界層內(nèi)風場的探測。英格蘭的Vaughan課題組使用基于CW CO2相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)實現(xiàn)了對氣溶膠后向散射的探測。

 

1970年代，美國雷神公司成功研制出脈沖式CO2相干多普勒測風激光雷達，并將其用于商業(yè)航班路線上晴空湍流的探測。1984年，NOAA基于10.6 μm的CO2激光雷達，對大氣風場進行了測量，并和風速計、氣球及微波雷達的測量結(jié)果進行了比較。

 

1980年代，為了進一步縮小激光器體積并增加激光器的功率，橫向激勵氣體(TEA)激光器開始被使用，基于TEA技術(shù)，激光單脈沖能量可達到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，開始使用單脈沖能量1 J，脈沖重復頻率20 Hz的脈沖式CO2激光器作為相干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9.25 μm和10.6μm的TEA CO2相干多普勒測風激光雷達開展了大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、湍流和大氣后向散射參數(shù)測量的相關(guān)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于TEA CO2激光器的機載脈沖式相干多普勒測風激光雷達的研究。

 

不過，CO2激光器能耗高、體積大、工作環(huán)境要求低溫等缺點限制了其發(fā)展。



1.06 μm相干激光雷達

隨著Nd:YAG激光器發(fā)展，1985年，斯坦福大學的Kane課題組研發(fā)了基于Nd:YAG激光器的1.06 μm波長相干多普勒測風激光雷達，該系統(tǒng)實現(xiàn)了600 m風場和2.7 km的云層探測。

 

1988年，Kavaya等研發(fā)出了1.06 μm波長的相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)，該雷達實現(xiàn)了3.75 km的水平風場探測距離。

 

隨后，在美國相干技術(shù)公司(CTI)、NASA馬歇爾太空飛行中心(MSFC)和NASA蘭利研究中心(LaRC)的共同合作下，該系統(tǒng)的脈沖能量升級為1 J，脈沖重復頻率為10 Hz，在肯尼迪宇航中心(KSC)，為發(fā)現(xiàn)者號航天飛機發(fā)射和著陸過程提供氣象保障，實現(xiàn)了地表到26 km高度的風場探測?？紤]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相干激光雷達

2000年以后，得益于光纖通信技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)更為緊湊、發(fā)光效率更高、成本更低的1.5 μm波長的相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)成為研究的新熱點。

從第一臺基于CO2激光器的相干多普勒測風激光雷達問世以來，LMCT和CTI就一直在致力于相干多普勒測風激光雷達的研究。

2002年，LMCT發(fā)布了基于2.0 μm的WindTracer商用相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)。目前已經(jīng)升級為基于1.617 μm的Er∶YAG激光器。NASA使用商用WindTracer系統(tǒng)進行了飛機風切變、晴空湍流等探測，于2009年在丹佛國際機場對飛機渦流進行了建模和預測。

由于3 mJ的單脈沖能量導致WindTracer對激光器的性能、光學器件的品質(zhì)等要求都很高，造成器件的壽命都很短且極易發(fā)生損壞，因此系統(tǒng)的適用性差。 NASA研發(fā)了基于Er∶Glass光纖激光器的全光纖Windimager相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)。

2010年8月，NCAR的Spuler等基于連續(xù)波相干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。

2011年，F(xiàn)iberTek公司的Akbulut等進行了湍流和波音747飛機尾流的數(shù)值模擬，并使用該公司自己研發(fā)的相干多普勒測風激光雷達進行了實際探測。

2016年，F(xiàn)iberTek公司進一步提高了激光雷達的脈沖能量。使用中心波長為1572.3 nm，脈沖能量440 μJ的激光雷達實現(xiàn)了二氧化碳氣體探測。

日本三菱電機有限公司(MEC)

從20世紀90年代后期開始致力于相干多普勒測風激光雷達的研究工作。

1998年，三菱電機公司的Asaka等使用1.53 μm波長的半導體種子激光器，這是世界上首臺基于1.5 μm人眼安全波長的相干多普勒測風激光雷達。

全光纖系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、方便組裝和維護、成本低、系統(tǒng)更穩(wěn)定等諸多優(yōu)點，因此三菱公司從2002年起開始報道其全光纖相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)的研發(fā)成果，完成了機載驗證實驗，并于2003年推出首臺原理樣機。

2006年，又推出了商用的全光纖相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)LR-05FC。2010年，升級之后的LR-08FS系統(tǒng)被用于香港機場。

2012年，Sakimura等使用Er，Yb∶Glass平面波導技術(shù)和二級激光放大技術(shù)，對出射激光輸出功率進一步放大，實現(xiàn)了超過30 km的水平風場探測距離。

2014年，三菱電機公司又報道了該系統(tǒng)在機載實驗中的結(jié)果。在12 km飛行高度時，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)大于9 km的水平探測距離，可以用于提前30 s發(fā)現(xiàn)飛機前方的晴空湍流。

法國航空航天中心(onERA

2008年，法國航空航天中心(ONERA)首次報道了基于1.5 μm光纖激光器的相干多普勒測風激光雷達 ，并使用該系統(tǒng)進行了飛機尾流的探測。在考慮到光纖的受激布里淵現(xiàn)象之后，ONERA自主研發(fā)了摻Er，Yb的光纖激光放大器。

2009年，ONERA對第一代相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)進行了升級，進一步將激光器的脈沖能量提高至120 μJ，實現(xiàn)了飛機尾流的探測。

2014年，通過在大模場面積的光纖中加入應(yīng)力等方式，ONERA進一步提高了光纖的受激布里淵閾值，在單脈沖能量370μJ的情況下，實現(xiàn)了超過10 km的風場探測距離。

2015年，ONERA通過使用多個光纖放大器并聯(lián)，提高了光纖激光器的激光脈沖能量。通過與Leosphere公司合作，該激光器已經(jīng)應(yīng)用于WindCube產(chǎn)品中，并進行了災難天氣預測、機場風切變監(jiān)測等外場實驗。

法國Leosphere，與ONERA和丹麥科技大學(DTU)都有合作關(guān)系。其產(chǎn)品分為陸基WindCube系列和風電機艙雷達Windiris系列，廣泛應(yīng)用于風力發(fā)電、航空安全保障、天氣預報、空氣質(zhì)量監(jiān)測等。 

英國ZephIR公司為英國QinetiQ公司的子公司。在20世紀90年代中期，QinetiQ公司就致力于使用光纖激光器替代當時相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)中使用的CO2激光器，并于20世紀90年代后期成功研究了全光纖的連續(xù)波相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)，且在2002年成功研究了全光纖的脈沖式相干多普勒測風激光雷達系統(tǒng)，同時與DTU合作，將其系統(tǒng)用在風力發(fā)電領(lǐng)域。

葉變換、周期圖算法，到聯(lián)合時頻分析等信號處理方法應(yīng)用，從時間-頻率域刻畫了信號全貌，提高了系統(tǒng)的距離分辨率。