對(duì)流層風(fēng)場(chǎng)、大氣退偏比等參數(shù)是風(fēng)能源開(kāi)發(fā)供應(yīng)、航空安全、大型建筑物和重大工程安全設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃和防災(zāi)管理等的重要參數(shù)，也是大氣污染物稀釋、擴(kuò)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(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)從地面到對(duì)流層無(wú)盲區(qū)的大氣參數(shù)觀(guān)測(cè)，并且具有高精度、高分辨率、大探測(cè)范圍等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)際研究的重點(diǎn)。


目前，美國(guó)航空航天局(NASA)、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)、美國(guó)洛克希德馬丁公司(LMCT)、美國(guó)雷神公司(Raytheon)、日本三菱公司、法國(guó)Leosphere公司等相繼開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行了商業(yè)化樣機(jī)的研制。


國(guó)內(nèi)相干激光雷達(dá)主要研究單位包括中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(USTC)、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所(CETC27)、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(SIOM)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(HIT)、中國(guó)海洋大學(xué)(OUC)、北京理工大學(xué)(BIT)等。


相干激光雷達(dá)研究現(xiàn)狀

全光纖相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)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(hào)處理模塊。

 

相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)：

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

2)相干激光雷達(dá)要求本振光及信號(hào)光的波前匹配，因此相干激光雷達(dá)對(duì)背景噪聲、探測(cè)器噪聲具有抑制作用，可實(shí)現(xiàn)在無(wú)濾波器條件下的連續(xù)觀(guān)測(cè)；

3)相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)無(wú)需光學(xué)鑒頻器，接收光路簡(jiǎn)單，對(duì)溫度梯度、應(yīng)力梯度不敏感；

4)隨著激光波長(zhǎng)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(dǎo)致探測(cè)難度增加。與直接探測(cè)采用價(jià)格昂貴的超導(dǎo)探測(cè)器、上轉(zhuǎn)換探測(cè)器等相比，相干探測(cè)常采用平衡探測(cè)器，縮減了系統(tǒng)成本。

 

相干激光雷達(dá)波長(zhǎng)選取時(shí)要考慮到：1）大氣透過(guò)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(dá)波長(zhǎng)主要集中在1.5 μm和2.0 μm，同時(shí)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(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

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(zhǎng)等特點(diǎn)，被相干雷達(dá)系統(tǒng)大規(guī)模使用。

 

第一臺(tái)基于連續(xù)波(CW)CO2激光器的相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)由NASA的Huffaker研制成功。1968年，Raytheon和NASA合作對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，解決了大風(fēng)速情況下系統(tǒng)失能的問(wèn)題，并用于實(shí)現(xiàn)幾百米高空情況下由飛機(jī)產(chǎn)生的渦流和大氣邊界層內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)。英格蘭的Vaughan課題組使用基于CW CO2相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣溶膠后向散射的探測(cè)。

 

1970年代，美國(guó)雷神公司成功研制出脈沖式CO2相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，并將其用于商業(yè)航班路線(xiàn)上晴空湍流的探測(cè)。1984年，NOAA基于10.6 μm的CO2激光雷達(dá)，對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并和風(fēng)速計(jì)、氣球及微波雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。

 

1980年代，為了進(jìn)一步縮小激光器體積并增加激光器的功率，橫向激勵(lì)氣體(TEA)激光器開(kāi)始被使用，基于TEA技術(shù)，激光單脈沖能量可達(dá)到100 mJ。1980年代中期，美國(guó)的Hardensty課題組及其他機(jī)載測(cè)風(fēng)項(xiàng)目的課題組，開(kāi)始使用單脈沖能量1 J，脈沖重復(fù)頻率20 Hz的脈沖式CO2激光器作為相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的光源。

 

美國(guó)大氣研究中心(NCAR)的Mayor等和加州理工大學(xué)的Kavaya等使用波長(zhǎng)為9.25 μm和10.6μm的TEA CO2相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)開(kāi)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(cè)量的相關(guān)工作。法國(guó)國(guó)家科學(xué)院(CNRS)的Flamant和德國(guó)航空太空中心(DLR)的Werner課題組合作進(jìn)行了基于TEA CO2激光器的機(jī)載脈沖式相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的研究。

 

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



1.06 μm相干激光雷達(dá)

隨著Nd:YAG激光器發(fā)展，1985年，斯坦福大學(xué)的Kane課題組研發(fā)了基于Nd:YAG激光器的1.06 μm波長(zhǎng)相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了600 m風(fēng)場(chǎng)和2.7 km的云層探測(cè)。

 

1988年，Kavaya等研發(fā)出了1.06 μm波長(zhǎng)的相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，該雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了3.75 km的水平風(fēng)場(chǎng)探測(cè)距離。

 

隨后，在美國(guó)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(jí)為1 J，脈沖重復(fù)頻率為10 Hz，在肯尼迪宇航中心(KSC)，為發(fā)現(xiàn)者號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射和著陸過(guò)程提供氣象保障，實(shí)現(xiàn)了地表到26 km高度的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)?？紤]到人眼安全，1.06 μm逐漸被1.5 μm和2.0 μm波長(zhǎng)取代。



1.5 μm相干激光雷達(dá)

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(zhǎng)的相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)成為研究的新熱點(diǎn)。

從第一臺(tái)基于CO2激光器的相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)問(wèn)世以來(lái)，LMCT和CTI就一直在致力于相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)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(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。目前已經(jīng)升級(jí)為基于1.617 μm的Er∶YAG激光器。NASA使用商用WindTracer系統(tǒng)進(jìn)行了飛機(jī)風(fēng)切變、晴空湍流等探測(cè)，于2009年在丹佛國(guó)際機(jī)場(chǎng)對(duì)飛機(jī)渦流進(jìn)行了建模和預(yù)測(cè)。

由于3 mJ的單脈沖能量導(dǎo)致WindTracer對(duì)激光器的性能、光學(xué)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(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。

2010年8月，NCAR的Spuler等基于連續(xù)波相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，在12 km高空進(jìn)行了飛機(jī)前方湍流探測(cè)的機(jī)載實(shí)驗(yàn)。

2011年，F(xiàn)iberTek公司的Akbulut等進(jìn)行了湍流和波音747飛機(jī)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(cè)風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行了實(shí)際探測(cè)。

2016年，F(xiàn)iberTek公司進(jìn)一步提高了激光雷達(dá)的脈沖能量。使用中心波長(zhǎng)為1572.3 nm，脈沖能量440 μJ的激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳?xì)怏w探測(cè)。

日本三菱電機(jī)有限公司(MEC)

從20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始致力于相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的研究工作。

1998年，三菱電機(jī)公司的Asaka等使用1.53 μm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體種子激光器，這是世界上首臺(tái)基于1.5 μm人眼安全波長(zhǎng)的相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)。

全光纖系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、方便組裝和維護(hù)、成本低、系統(tǒng)更穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此三菱公司從2002年起開(kāi)始報(bào)道其全光纖相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)成果，完成了機(jī)載驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并于2003年推出首臺(tái)原理樣機(jī)。

2006年，又推出了商用的全光纖相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)LR-05FC。2010年，升級(jí)之后的LR-08FS系統(tǒng)被用于香港機(jī)場(chǎng)。

2012年，Sakimura等使用Er，Yb∶Glass平面波導(dǎo)技術(shù)和二級(jí)激光放大技術(shù)，對(duì)出射激光輸出功率進(jìn)一步放大，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)30 km的水平風(fēng)場(chǎng)探測(cè)距離。

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

法國(guó)航空航天中心(onERA

2008年，法國(guó)航空航天中心(ONERA)首次報(bào)道了基于1.5 μm光纖激光器的相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá) ，并使用該系統(tǒng)進(jìn)行了飛機(jī)尾流的探測(cè)。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(duì)第一代相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，進(jìn)一步將激光器的脈沖能量提高至120 μJ，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)尾流的探測(cè)。

2014年，通過(guò)在大模場(chǎng)面積的光纖中加入應(yīng)力等方式，ONERA進(jìn)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(shí)現(xiàn)了超過(guò)10 km的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)距離。

2015年，ONERA通過(guò)使用多個(gè)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(guò)與Leosphere公司合作，該激光器已經(jīng)應(yīng)用于WindCube產(chǎn)品中，并進(jìn)行了災(zāi)難天氣預(yù)測(cè)、機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變監(jiān)測(cè)等外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

法國(guó)Leosphere，與ONERA和丹麥科技大學(xué)(DTU)都有合作關(guān)系。其產(chǎn)品分為陸基WindCube系列和風(fēng)電機(jī)艙雷達(dá)Windiris系列，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、航空安全保障、天氣預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。 

英國(guó)ZephIR公司為英國(guó)QinetiQ公司的子公司。在20世紀(jì)90年代中期，QinetiQ公司就致力于使用光纖激光器替代當(dāng)時(shí)相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中使用的CO2激光器，并于20世紀(jì)90年代后期成功研究了全光纖的連續(xù)波相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)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(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，同時(shí)與DTU合作，將其系統(tǒng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。

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