激光测风雷达.docVIP

大气风场探测的意义和目的 精确的大气风场观测对提高长期天气预报的准确性、风暴预报的准确性、改进气候研究模型、军事环境预报、预报可能的生化武器释放环境以提高国防安全等方面具有重大意义。因此国际民航组织、世界气象组织、各国航空航天研究机构正积极开展有关风场探测系统的研究。在现代军事上，大气风场围的风场数据可以提高导弹命中率；航空母舰上，机群的安全升空和着落都依赖周围大气风场的精确测量。 2.大气风场测量的主要手段 目前主要的大气风场测量手段有声雷达、微波雷达和激光雷达。 一、多普勒声雷达 多普勒声雷达是一种测量大气对流层低层常用的遥测手段，它可以较好地测量低空由几十米开始到几百米乃至一公里范围内地风廓线，还可以用于测量折射率结构常数等湍流参数量廓线。 声雷达发射声波后，接收大气的后向散射信号，由于大气中气团是随风运动的，因此，接收的信号和发射信号的频率之间会有多普勒频移。由于发射波长是以知的，测量到多普勒频率漂移的大小，就可以得到气团运动速度。 二、微波雷达 微波风廓线雷达是目前用来测量风廓线的一种主要设备，它通过发射微波脉冲，探测大气中湍流涡漩对微波后向散射或待测大气中的云、雨、冰或其它降水粒子等运动粒子的回波信号的多普勒频移来反演大气风廓线，并由它的回波功率可以反演折射率结构常数的廓线，其波长较红外和激光长许多倍，因而受大气的影响小得多，是目前主要应用的风速测量的系统。 三、测风激光雷达 测风激光雷达是以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气（气溶胶粒子和大气分子)的后向散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速的，从探测方式上可以分为相干探测激光雷达和非相干探测（直接探测）激光雷达。 3. 激光大气风场遥感的原理 (1)光的多普勒效应 当光源和观测者相对运动时，观测者接收到的光波频率不等于光源频率，这 就是光的多普勒效应。光多普勒效应与声音多普勒效应本质上是不同的，声波依 赖于介质传播，而光波不依赖于任何介质传播。对于任何惯性系，光在真空中传 播速度都相同，所以，光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对运 动的速度，下面按照狭义相对论的观点对光学多普勒效应进行分析。 图1.光多普勒效应示意图 设观测者D固定在惯性系K中的O点，单色光源S固定在另一惯性坐标系K’中，K’系相对于K系沿x轴以速度v运动，光源S位于y’轴上某点，速度v和观测者D到光源S的连线夹角为θ，而θ角会随时间的改变而变化，如图1所示。 相对于K′系静止的光源从K′系的t1′时刻开始发出一列光波，这个波列的发射截止时间为t2′，于是K′系中此波列发射的时间为t2’- t1’，在这段时间内发射的波数为N，则光源频率为： （1） 在观测者坐标系中K看来，此波列发射于t1时刻，相应这一刻光源位于S1处，见图1，此波列以光速向观测者传过来，传到观测者的时间是r1/c,所以接收到这波的时刻是 （2） 在K系中来看，该波列发射截至于t2时刻，相应这一时刻光源位于图中S2处，从t1到t2这段时间内光源沿轴向移动了V(t1- t2)。设t2′-t1′很小，即t2-t1,以至于这段时间内θ角基本保持不变。因此 （3） t2′时刻光源发出的光波传到观测者的时刻为 （4） 观测者D接收到这N个波列共用的时间为 (5) 根据时间相对性 (6) 观测者接收的频率为 (7) 而故 (8) 式中，v是光源和观测者之间相对速度的绝对值，vcosθ是相对速度v在连线方向上的投影。这就是光学多普勒效应公式。由于v/c一般很小，对上式只取幂级数展开式，只取前两项，即得： (9) （2）激光多普勒风场遥感原理 图2.激光多普勒测风原理 多普勒测风激光雷达是利用光的多普勒效应，测量激光光束在大气中传输其回波信号的多普勒频移来反演不同高度处的风速分布。激光具有单色性、相干性强的特点，而且波长较短，因此利用气溶胶的后向散射光，就能够获得足够强的多普勒测风信息，有利于探测微风速，具有较高的测风精度。若大气气溶胶散射粒子相对于光源运动，则所接收气溶胶辐射的散射光频率不仅取决于照射光的频率，而且还与气溶胶散射粒子相对于光源的运动速度、运动方向有关。根据公式（9）可以表示为 （10） 式中为照射光方向的单位矢量，c为光速。此时双端多普勒测风激光雷达所接收气溶胶粒子辐射的散射光波长为： （11） 式中为散射光方向的