相干測風激光雷達

最新 02-27

大氣風場測量的重要性

風速作為最基本的大氣參量之一，是研究大氣波動、大氣物質傳輸和氣象的關鍵參考依據。

同時風作為人類對大氣最直觀的感受之一，它與我們的生活息息相關。因此風場的探測一直是大氣探測領域最熱門的話題之一。

**對風場的探測可以加深我們對龍捲風等劇烈天氣現象的了解和加強對其監測的能力**

**監測風場可以為飛機等飛行裝置提供強對流和激流等危險氣象條件的預警**

**監測風場可以為風力發電機的最優化布局提供參考，減少能源浪費**

測風激光雷達的分類

遠程測風技術主要分為主動式和被動式兩種。

主動探測技術需要發射光源對目標區域進行照射，這種方法對外界的依賴較小，且能得到空間分布信息，但是技術相對複雜。

**主動式接收**

被動式設備採用被動式接收，比如探測氣輝的輻射譜線從而探測高層大氣風速，這種類型的儀器由於不需要發射部分因此整體結構會小巧很多，但是因為採用的是外部輻射源，因此會存在相對較大的誤差，且一般難以獲得距離分辨的風場信息。

**被動式接收**

相干測風激光雷達結構

無論是何種類型的相干測風激光雷達，其基於的原理都是探測多普勒頻移。

低層大氣中充滿著肉眼可見與不可見的粒子和分子，這些粒子和分子既有整體的定向運動（整體頻移），同時也有隨機熱運動（展寬）。

一般分子的熱運動速度能達到～100m/s的量級，遠大於整體的定向運動(

**實際接收頻譜**

而大氣風場產生的多普勒頻移相對於發射光束而言非常窄，如何從當中提取出這非常窄的頻移呢？

答案是採用相干光束的混頻。

**相干測風激光雷達框圖**

經過混頻後，可以產生兩種頻率截然不同的分量，一部分是極高頻，一部分是多普勒頻移分量。這兩種分量很容易通過探測器件的響應範圍進行區分。

實際中為了區分多普勒頻譜中的正負偏移分量，還會採取上變頻的方法，將多普勒頻譜轉移到相對高頻段，從而能在接收端完整區分正負頻率譜段。

相干測風激光雷達國內外發展狀況

相干測風激光雷達結構相對簡單，對激光器中心頻率沒有特別嚴苛地要求，並且因為多普勒展寬較小，因此可以通過設置較窄的濾光片從而很好地限制背景雜訊。但是因為分子回波信號較弱，在氣溶膠含量稀少的區域（邊界層以上）很難得到有效的信號。因此只能用於測量邊界層內、沙塵層和捲雲層處的風場信息。但是即使如此，相干測風激光雷達仍在我們的生產生活中扮演著非常重要的角色。