相干测风激光雷达简史

大气风场作为气象学和天气学研究领域重要的参数,影响到人们日常生活的方方面面。因大气风场异常造成的航空安全事件屡见报端,对人们的生命和财产安全构成了重大威胁。如2001 年 11 月 12 日,美航 587号航班 A300-600 客机在起飞后不久坠毁于皇后区,全机 260 人罹难。事故发生后经过调查发现,由于和前一次航班飞机的起飞时间间隔过短,该飞机进入其飞行尾流之中,方向舵应付尾波乱流而过度使用,最后整块脱落并导致了客机的失控。

因此,探索大气及其相关领域的科学奥秘,能够为航空气象安全、环境监测、风电场管理等提供基础性和创新性的贡献。

相干激光测风雷达是利用大气运动产生的多普勒效应进行三维风场探测的新型遥感设备,可以实现从地面到对流层高度无盲区的大气参数观测,具有高精度、高分辨率、大探测范围等优点,成为研究的重点。

基本原理

相干测风激光雷达的基本原理是基于激光的多普勒效应。

如图1所示,在激光出射模块,连续波激光器产生中心频率为的线偏振光,经分束器后分为出射激光和本振光,出射激光经声光调制器(AOM)调制为脉冲光,并产生的频移,再由放大器进行功率放大,经望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为,则回波信号中心频率为。在接收机模块,回波信号与本振光两者的拍频信号经平衡探测器转换为频率为的IF电信号,再经采集卡采样和后续电路数据处理分析得到风场信息。使用基于出射激光脉冲的飞行时间法,可以得到不同距离处的风场信息。