双边缘技术多普勒测风激光雷达
相干多普勒测风激光雷达的工作原理
相干多普勒测风激光雷达的工作原理
相干多普勒测风激光雷达是一种利用激光测量风速和风向的先
进技术。
它通过发射一束激光束，并接收被散射回来的激光信号来测量风速和风向。
激光束发射出去之后，会与空气中的颗粒发生散射，其中散射回来的信号会被接收并进行处理。
根据多普勒效应，当激光束与运动物体相遇时，激光波长会发生变化。
通过测量这种变化，可以确定物体的速度。
同样地，相干多普勒测风激光雷达也可以通过测量激光信号的多普勒频移来计算出空气中的流速。
通过不同的算法处理，可以将测量到的信号转换成实际的风速和风向数据。
这种激光雷达技术已经被广泛应用于气象、航空、海洋等领域，为人们提供了重要的气象信息和飞行导航支持。
- 1 -。
激光雷达应用
激光雷达具备独特的优点，如极高的距离分辨率和角分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。
这使得激光雷达能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。
自1961年科学家提出激光雷达的设想，历经 40余年，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，进而研发出不同用途的激光雷达，如精密跟踪激光雷达、侦测激光雷达、侦毒激光雷达、靶场测量激光雷达、火控激光雷达、导弹制导激光雷达、气象激光雷达、水下激光雷达、导航激光雷达等。
激光雷达已成为一类具有多种功能的系统。
目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学和生物战剂探测和水下目标探测等军事领域方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。
它在工业和自然科学领域的作用也日益显现出来。
一、军事领域应用侦察用成像激光雷达激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，并将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。
美国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达，安装在高性能飞机和无人机上，在待侦察地区的上空以120～460m的高度飞行，用GaAs激光进行行扫描。
获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上，或通过数据链路发送至地面站。
1992年，美国海军执行了“辐射亡命徒”先期技术演示计划，演示用激光雷达远距离非合作识别空中和地面目标。
该演示计划使用的CO2激光雷达在P-3C 试验机上进行了飞行试验，可以利用目标表面的变化、距离剖面、高分辨率红外成像和三维激光雷达成像，识别目标。
同时，针对美国海军陆战队的战备需求，桑迪亚国家实验室和Burns公司分别提出了手持激光雷达的设计方案。
这种设备能由一名海军陆战队队员携带，重量在2.3～3.2kg之间，可以安装在三脚架上；系统能自聚焦，能在低光照条件下工作；采集的影像足够清晰，能分辨远距离的车辆和近距离的人员。
风廓线雷达与及激光测风雷达
波束进行控制。②从模块箱接收观测信号,并检测出信号的 相位。③在收发装置中还产生这个系统的时间信号,用于系 统的时序控制。
• 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送来的数据,以 图形方式将处理后的产品显示出来,同时保存数据文件
定位精度
±0.1度
位置分辨率 ±0.01度
位置重复率 ±0.05度
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激光测风雷达-分类
探测方式： • 相干探测激光雷达 • 非相干探测（直接探测）激光雷达。
激光测风雷达-分类
• 直接式常以空气分子的瑞丽散射为基础，一般选择蓝绿光或紫外等短 波长激光作为发射源，才能得到比较强的瑞丽散射气象回波信号，经 过单边缘滤波、双边缘滤波或条纹检测手段，通过功率谱分析方法， 间接提取多普勒频率信息。
• 2007年，中国科学技术大学研发了一台波长为355nm的车 载测风激光雷达系统。
• 当前，中国兵器209所在传统扫描方式的基础上，研发了 一种采用二维扫描工作方式的小型三维测风激光雷达。
WindTrace相干激光多普勒测风雷达
技术参数
技术指标
脉冲重复频率 500Hz ±10Hz
脉冲能量
2mJ
风廓线雷达-原理探究
• 实际仪器设计为三波束或五波束 轮流发送
• 通过依次测量1个天顶垂直波束 指向和东、南、西、北4个倾斜 波束指向上各个距离库的多普勒 速度, 在大气水平均匀的条件下, 用同一高度上的5个波束指向的 多普勒速 度测量值联合求解出 大气3维风场。
02 激光测风雷达
激光测风雷达-概念探测
多普勒测风激光雷达校准仪中电控系统的开发
摘
要： 以伺服 系统作 为核 心控制 单元开 发 了一 台多普 勒测风 激光 雷达 校 准仪 ， 到 一个 稳定 得
性强 、 准确性 高 的速 度 标 准 源 ， 而 实现 对 测 风 激 光 雷达 系统 的 自校 准 、 标 。校 准 仪 采 用 从 定
１１７ ３ ０ ２脉 冲 的高 分 辨 率 编 码 器 ， 以 直 径 为 ２ ０ ｍｌ 转 盘 ， 边 沿 最 大 速 度 偏 差 小 于 配 ０ ／ ｌ的 其 ０ ４ｍ ／ 。 ． ｍ ｓ 电制 系统具有启 动 、 止 、 停 试运 行 及速 度 显 示 等功 能 ， 用 Ｒ ４ ５通信 手 段 可实 现 利 Ｓ８ 上位机 对 系统进 行监 控及相 关数据 分析 的功能 。 关键 词 ： 测风 激光 雷达 ； 速度校 准 ； 电控 系统 中图分类号 ： Ｎ ５ ．８ Ｔ ９８９ 文献 标识码 ： Ａ
第 ４ 卷 第 １ １ 期
２ １ 年 １月 ０１
激 光 与 红 外
ＬＡＳ ＥＲ ＆ Ｉ ＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ． １ Ｎ ． 】４ 。 ｏ １
Ｊ ｎ ａｙ ２ ａ ｕ ｒ ，０１ １
文章编号： ０— ７ （０１Ｏ－ ８－ １ １ ０８ ２１）１ ０４ ５ ０ ５ ０ ０
・ 电技术 与 系统 ・ 光
多普 勒测 风 激光 雷 达校 准 仪 中 电控 系统 的开发
王 力 杨 洋 ， 法华。李 仁芮 冯 法军 ， 沈 ， ，
（． １ 承德石油高等专科学校 ， 河北 承德 ０ ７０ ２ 河北省仪器仪表工程技术研究中心， ６０ ０；． 河北 承德 ０ ７０ ６ ００； ３ 盐城师范学 院， ． 江苏 盐城 ２ ４０ ） ２０ ２
Ｗ ＡＮＧ ｉ ＹＡＮＧ ｎ ， ＨＥＮ Ｆ — ｕ 。 Ｌ ， Ｙａ ｇ Ｓ ａｈ ａ
多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析
第36卷第5期2020年10月热带气象学报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.36,No.5Oct.,2020史文浩，汤杰，陈勇航，等.多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析[J].热带气象学报，2020，36(5)：577-589.文章编号：1004-4965(2020)05-0577-13多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析史文浩1，汤杰2，陈勇航1，赵兵科2，汤胜茗2，杨文杰1，邬贤文1(1.东华大学，上海201600；2.中国气象局上海台风研究所，上海200030)摘要：多普勒激光雷达在台风等强天气背景下的探测能力亟待研究，为此将多普勒激光雷达与70m 测风塔超声风温仪在同址同高度探测台风“利奇马”影响期间的边界层风场数据进行对比，并分析多普勒激光雷达的误差分布以及变化情况。
结果显示：在高度70m 上，两者的水平风速、风向相关系数分别为0.97和0.99，垂直风速的相关系数为0.36。
以超声风温仪为参考值，激光雷达水平风速、垂直风速和风向均方根误差分别为1.06m/s 、0.46m/s 和17.10°。
深入研究表明：降水对多普勒激光雷达测量水平风速和垂直风速误差均有一定影响。
当激光雷达信噪比大于2000时，各参量的误差与信噪比呈负相关关系。
研究表明多普勒激光雷达至少可以较好地刻画台风环流内的水平风场结构及演变，可应用于台风外围环流影响下(即较弱降雨条件下)边界层风场的高分辨率探测和研究。
关键词：台风；多普勒激光雷达；超声风温仪；边界层风结构中图分类号：P444文献标志码：ADoi ：10.16032/j.issn.1004-4965.2020.053收稿日期：2020-03-14；修订日期：2020-06-18基金项目：国家重点研发计划国际合作专项(2017YFE0107700)；国家重点研发计划(2018YFC1506305)；国家自然科学基金(41775065、41475060、41805088)；上海市自然科学基金(18ZR1449100、19dz1200101)共同资助通讯作者：汤杰，男，江西省人，研究员，博士，主要从事台风边界层结构和机理研究。
直接测风激光雷达中F-P标准具的频率动态锁定
第35卷，增刊红外与激光工程2006年10月V b l．35S uppl e m ent I nf r ar ed a nd L a ser E n gi n eer i ng O ct．2006直接测风激光雷达中F．P标准具的频率动态锁定董晶晶，孙东松，夏海云，沈法华，钟志庆，王邦新，周小林，李颖颖(中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽合肥230031)摘要：直接探测多普勒测风激光雷达中，双边缘技术可分别测量回波信号中大气分子散射和气溶胶散射的成分，因而在保持高测速灵敏度的同时，可以减小瑞利背景噪声的影响。
这决定了其在大气对流层风场观测的优势地位。
直接探测双边缘技术中，使用双通道Fa br y．Pe r ot标准具作为鉴频器，将频率变换转换为信号强度变化。
该技术的前提是出射激光频率始终处在双通道标准具透过率曲线的交点频率附近。
提出的标准具腔长调制反馈电路方法有效解决了该问题。
关键词：激光雷达；Fab巧．P er ot标准具；伺服稳定中图分类号：T N958．98文献标识码：A文章编号：1007-2276(2006)增C-0279-05Ser V o-s t abi l i zi ng ci r cui t l了f br Fabr y—Per ot et al on i n di r ec tdet ect i on w i nd l i darD O N G Ji ng-j i I l g，SU N D ong—s o ng，X I A H ai—yu n，SHE N Fa-hua，ZH oN G zhi—qi ng，Ⅵ，A N G B a ng-xi n，Z H O U X i ao—l i n，L I Y i ng-yi ng(In鲥t II t c of A n hui opt i cs蜘d Fine M echani cs，chi ne∞A cadem y ofSc i e nc e，H e f cj23003l，Ch i na)A bs t r act：A st a bi l i zi ng ci r cui t∥i s de si gI l e d t o m odul at e t he cav时of t he Fab巧-Pe m t i nt erf e rom e t e r w i t hre spec t t o a r ef er ence疔equen cy，w h i l e s i m ul t an eousl y keep t he pa ra l l el i s m of t he r ene ct i ng fl at s．D oubl e—e dgede t e m i ned t ec hni que anow s t he R ay l ei gh and ae rosol com ponen t s of t he backs caner ed si gna l t o be i nd epen dent l yw hi l e keep i ng hi gh m eas ur i ng sensi t i V i t)，．These adV ant ag es m ake i t be com e a popu l ar m e t hod i n w i nd obs e rV at i on i l l 订oposphere and l ow s t r at os pher e．The doubl e-edge t ec hni que u s e s t w o edg es w i t h oppos i t e sl opes s ym m et ri cal l ydi scr i m i nat or仃ansf o珊s t he D oppl er l oca t e d ne ar t he l as er f．r equency，so t he Fa b拶一Pe rot et a l on as a仔equen cyi nf om at i on i nt o i nt ens i t y changes of m e s i g nal．行equen cy1(e y w or ds：Li dar；Fa b巧一Pe rot et alon；Ser vo st ab i l i zat i o n0引言全球风场的主动观测被世界气象组织称为最具意义和挑战性的气象观测之一【¨。
激光测风雷达风场探测性能评估
激光测风雷达风场探测性能评估激光测风雷达风场探测性能评估激光测风雷达（Lidar）是一种基于激光技术的远程风速和风向测量工具。
相比传统的塔式风杆观测和气象探空测量方法，激光测风雷达具有非常大的优势，可以实现对风场的全方位、高时空分辨率的探测和监测。
激光测风雷达的工作原理是利用激光束在空气中的散射现象。
当激光束经过空气中的气溶胶颗粒、水蒸气分子和尘埃等物质时，会发生散射。
通过测量散射光的回波特性，可以得到大气中气溶胶物质的浓度、风速和风向等气象参数。
首先，我们来评估激光测风雷达的风速测量性能。
激光测风雷达采用多普勒技术，通过测量散射光的频率偏移来计算风速。
然而，在实际应用中，由于多种因素的干扰，如大气湍流、水平和垂直风向变化等，风速的测量精度可能会受到影响。
因此，在评估风速测量性能时，需要考虑这些干扰因素。
为了提高测量的准确性和可靠性，可以采用多个激光测风雷达同时观测同一位置的风速，通过对比和统计分析数据，得出更加准确的结果。
其次，我们来评估激光测风雷达的风向测量性能。
激光测风雷达可以通过测量散射光的相位差来计算风向。
然而，在实际应用中，由于大气湍流和辐射等因素的影响，风向的测量精度可能会受到一定的限制。
在评估风向测量性能时，需要考虑这些干扰因素，并采用多个激光测风雷达进行观测以获得更精确的结果。
此外，激光测风雷达还可以测量大气中的气溶胶物质，并根据散射光的特征来判断气溶胶颗粒的浓度和大小。
这对于环境监测和空气污染防治非常重要。
在评估气溶胶物质测量性能时，需要考虑气溶胶颗粒的类型、形状和浓度等因素，并与传统的测量方法进行对比和验证。
最后，我们可以针对不同的应用场景评估激光测风雷达的性能。
例如，在风力发电领域，激光测风雷达可以用于测量风场，预测风能资源分布和风电场设计等。
在气象研究领域，激光测风雷达可以用于对大气运动和边界层特性进行研究。
通过对这些不同的应用场景进行性能评估，可以更好地了解激光测风雷达的优势和局限性，从而为其进一步的应用和改进提供参考。
瑞利多普勒激光雷达频率响应函数的研究
带光 源测 量 时 ， 由频 率响应 函数 引起 的 系统误 差在 ０７ ～ ． ｍ／ 之 间 ； ． １３ ｓ ４ ８ 窄带光 源 测量 时 ， 由频 率响 应 函数 引起 的 系统误 差在 ０７ ～ ． ｍ ｓ 间。窄带光源较 宽带光源测量 时 ， ． ０ ４ ／之 ５ ８ 系统误差 降低 了 ０ ０ ８ ／。 ～ ． ｍ ｓ ４
ｃ ｍ ｐ ｒ ｄ．Ｉ ｈｏ ｓｔ ａ ｅ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｒ ｓ ｏ ｓ ｓ ａ ｃ ｒ ｉｇ ｗｉ ｈ ｅ ｉ ｎ ｒ ｑ ｉｅ ｅ ｔ ｏ ａｅ ｔｓ ｗ ｈ ｔｔ ｑ ｅ ｃ ｅ ｐ ｎ ｅ ｉ ｃ ｏ ｄｎ ｔ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｕｒ ｍ ｎ ．Ｗ ｈｉ ｈ ａ ｉｌ ｈ ｒ ｈ ｌ ｔｅ ｒ ｄ ａ ｅ
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｒｎ ｉ ｌ ｆ Ｒａ ｌｉｈ Ｄｏ ｐｅ ｎ ｉ ａ ｓｄ ｓ ｒｂ ｄ．Ｔｈ ｉｃ ｓ ｉｎ ａ ｄ ａ ａｙ ｉ ｆｔ ｅ ｔａ ｔ ｅ ｐ ｃｐ ｅ ｏ ｙｅ ｇ ｐ ｌｒｗｉ ｄ ｌｄ ｒ ｗａ ｅ ｃ ｉ ｅ ｉ ｅ ｄｓ ｕ ｓｏ ｎ ｎ ｌ ｓｓ ｏ ｈ
ｖ ｌｃｔ ｄ ｎ ｍ ｃ ａ ｇｅ ｓ ｅｗｅ ｎ －１ ０ ｍ ／ ａ ｄ ０ ／ ，ｔ ｅ ｙｓｅ ｅ ｏ ｉ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｔ ｅ ａ ｉｌ ｅｏ ｉ ｙ ｙａ ｉ ｒ ｎ ｉ ｂ ｔ ｅ ０ ｓ ｎ １ ０ ｍ ｓ ｈ ｓ ｔｍ ｒ ｒ ｎ ｒ ａ ｅ ｗ ｔ ｈ ｒ ｄ ａ ｈ
Ｗａ ｇＪ ｇｉ Ｓ ｕＺ ｉ ｎ 。Ｄ ｕＸ ａｋ ｎ Ｓ ｎＤ ｎ ｓｎ Ｘ ａＨ ｉｕ ｎ ｉ ｊ ｇ， ｈ ｈｆ ｇ， ｏ ｉ ａ ｇ， ｕ ｏ ｇｏ ｇ， ｉ ａ ｎ ｎ ｎ ｅ ｎ ｙ
（ ．Ａｎ ｕ ｎ ｔ ｕｅ ｏ ｔ ｓａ ｄ Ｆｉｅ Ｍ ｅ ｈ ｎｃ ，Ｃｈｎ ｓ ａ ｅ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ ，Ｈｅｅ ３ ０ １，Ｃｈｎ １ ｈ ｉＩ ｓｉ ｔ ｆＯｐｉ ｎ ｎ ｃ ａ ｉｓ ｔ ｃ ｉｅ ｅ Ａｃ ｄ ｍｙ ｏ ｃｅ ｃ ｓ ｆｉ２ ０ ３ ｉａ； ２．Ｓ ｈ ｏ ｆＥａｔ ｐ ｃ ｃｅ ｃ ｓ ｃ ｏ ｌｏ ｒｈ Ｓ ａ ｅ Ｓ ｉｎ ｅ ，Ｕｎｖ ｒｉ ｆＳ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｉ ，Ｈｅｅ ３ ０ ６，Ｃｈｎ ） ｉｅｓｔ ｏ ｃｅ ｃ ｃ ｎ ｌｇ ｆＣｈｎａ ｙ ｎ ｆｉ２ ０ ２ ｉａ
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双边缘技术多普勒测风激光雷达 2017-2-23 姓名： 学号： 学院： 专业： 联系方式： 双边缘技术多普勒测风激光雷达研究 摘 要：对双边缘技术多普勒测风激光雷达进行了介绍，描述了其应用背景和系统总体结构，对比了瑞利散射和Mie散射测风激光雷达的不同，深入介绍了两个相关系统，其中包括光纤分束器在系统中的使用。
关键词：双边缘技术；瑞利散射；Mie散射；多普勒测风激光雷达 中图分类号：TN958.98文献标识码：A
Research of the Double-edge Technique for Doppler Wind Lidar
Abstract:The double-edge technique for Doppler wind lidar is presented. The application background and the overall structure of the system are described, and the Rayleigh and Mie scattering lidar are compared.Two systems are further discussed, including the application of fiber splitter in one system.
Key word:the double-edge technique;Rayleigh scattering; Aerosol Scattering; Doppler wind lidar
1 引言 风场的观测，在科研、国防、天文等方面都有重要的学术价值和应用前景。尤其是对大气边界层以及对流层的观测，对海洋上的人类生产生活具有重要作用，可为船只提供飓风和龙卷风暴雨警报，对潮高、风暴潮、海浪等的预测；监测机场上空范围内的风切变可以为飞机、航天飞机的安全起飞和降落提供保障；填补全球对流层风场数据的空白，可提高对大气过程的理解、提高数值天气预报水平等。 多普勒激光雷达能够获得高空间和时间分辨率的大气风场，已被认为是精确测量全球三维风场的唯一有效手段。多普勒测风激光雷达具有时空分辨率高、可重复性好、探测误差小等特点。而直接测量测风激光雷达可以同时分析气溶胶和分子散射信号，能实 现全球范围（大空间范围）的风场观测，因为有些区域气溶胶密度较高，有些区域气溶胶密度相对较低[1-2]。
2双边缘技术多普勒测风激光雷达理论研究 2.1 相干探测和直接探测技术 多普勒激光雷达包括相干探测和直接探测技术。 相干探测激光雷达灵敏度和测量精度较高，可以利用大气中的Mie散射信号，是历史上最早开始研究的多普勒测风激光雷达系统，基本思想是将含有多普勒频移的大气回波光信号与不含多普勒频移的本振激光信号进行光学上的干涉，并从干涉项中提取多普勒频移信息。相干探测技术对信号光的相位、偏振态很敏感，测量灵敏度很高。但同时高的测量灵敏度对脉冲激光器的脉冲线宽和频率稳定性、光学望远镜和光学接收机的光学加工精度都提出了很高的要求。而且由于其对激光信号偏振态的敏感，激光在大气传输过程中大气扰动导致的退相干会严重的影响相干测量的结果。 直接探测的基本思路与相干探测不同。在直接探测技术中，将出射的激光脉冲与大气回波信号的频率差通过技术手段映射到光信号的强度变化或者强度分布变化上来，转化了测量对象，使测量本身不再对信号的偏振态和相干性敏感，而是仅对信号强度的变化敏感。测量的信噪比和信号强度直接挂钩。而要实现测量对象从频率变化量到光强变化量的转变，需要用到具有“频率一强度”特性曲线的器件，称之为鉴频器。风速导致的多普勒频率变化相比于激光本身的频率绝对值是一个很小的量，所以测量所使用的器件需要具有这样的输入输出特性：在微小的频率变化输入下输出可观的光强度变化或者光强分布变化。通常在脉冲测风激光雷达系统中使用的鉴频器有干涉仪，比较典型的如：Fabry-Perot(F-P)标准具、Fizeau干涉仪，Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪等；或者使用分子或原子的吸收谱线，典型的如：碘分子滤波器、钠原子滤波器等[3]。 直接探测测风激光雷达技术按照测量物理量不同，主要分为两类：条纹成像技术和边缘技术。 条纹成像技术利用干涉仪在不同频率的光信号下显现的干涉条纹位置的不同，通过分析干涉条纹位置的变化，来提取信号的频率信息，即将频率变化转化为信号强度分布变化。 边缘技术的基本思想是利用干涉仪或者分子原子吸收谱线的频域透过率曲线，将光信号在频率上的变化转变为光信号在鉴频器上的强度透过率变化。即将频率变化转化为信号强度变化。由于釆用的鉴频器透过率曲线在频域上非常陆峭，很小的信号频移就可以产生很大的透过率变化。虽然在转化待测量的过程中不可避免的引入了新的误差源，但却是一种有效的测量微小量的技术思路。 在边缘技术的两类鉴频器中，分子或原子吸收谱线作为鉴频边缘的优点是鉴频边缘的参数和特性都是固定的，由原子或分子自身的物理性质决定，避免了观测中边缘曲线自身变化引入的系统误差。但同样是由于分子或原子吸收谱线的确定性，对激光雷达的工作波长就有所限制（例如使用碘吸收谱线鉴频的激光雷达就必须使用532nm的激光 光源）[4]，而且对于激光器在观测期间的绝对频率稳定性要求很高，否则激光器出射激光的频率抖动或者长期漂移就会被系统误认为是多普勒频移，这就对激光器的温控和频率反馈调节提出了很高的要求。相比较而言，光学干涉仪则在波长适应性和对激光器稳频要求等方面相对更有优势，也使得干涉仪，尤其是F-P干涉仪成为广泛应用于边缘技术测风激光雷达中的鉴频器[5]。 2.2 瑞利散射和Mie散射 激光雷达对大气风速观测的物理基础是激光与大气发生相互作用，作用之后的光信号中包含了大气的风速信息。在脉冲多普勒测风激光雷达工作中，通常主要考虑瑞利散射、米散射、非弹性散射拉曼散射、布里渊散射，以及吸收、荧光等[6]。 由于激光与大气中的气体分子相互作用发生的散射主要由瑞利散射描述，基于大气分子散射的激光雷达也可以被称为瑞利激光雷达[7]。瑞利散射理论中，假定大气中的散射体是球形的，不考虑任何震动或者转动状态的影响，那么在大气中的散射体直径远小于光波长的情况下，作用在散射体上的电场可以看作是交变的均匀电场。散射体在这种电场中，只会极化产生电偶极矩，而不会产生更高级的电矩。根据电磁理论，偶极振子的辖射功率正比于振子角频率的四次方，也就是波长的负四次方。 瑞利散射以英国物理学家Lord Rayleigh的名字命名，描述的是一种粒子尺寸小于入射光波长的光散射，其散射截面与入射光波长的关系可表示为:
41
（1）
即散射截面反比于入射波长的四次方，测量波长越短，瑞利散射截面越大，瑞利散射回光信号越强。 由于瑞利散射粒子的尺寸小于入射光波长，所以发生瑞利散射的主要是大气中尺寸较小的各种原子和分子等。瑞利散射也是完全弹性散射，散射光波长和入射光波长相等。瑞利散射截面比Mie散射小，但相对于其他散射机制还是比较大的，当雨后初晴大气洁净时，会看到久违的蓝天，正是因为此时大气中气溶胶较少，高空瑞利散射占主导地位，大气分子和原子对波长较短的蓝光具有较强的散射。 Mie散射也称为米散射，是波长的函数，Mie散射的信号强度取决于气溶胶的密度，对于不同地区、不同高度和时间，其变化范围相当大。 米散射以德国物理学家Gustav Mie的名字命名，描述的是一种直径与激光波长相当或大于激光波长的微粒子产生的光散射，其散射截面积与粒子直径的关系为
0(R)(R)(R,r)()NNrdr（2）
其中，(R)N为散射粒子数，是直径为()r的粒子的后向散射截面。 由于发生Mie散射作用的粒子尺寸与发射激光波长相同或大于激光波长，所以发生米散射的主要是大气中颗粒较大的气溶胶粒子。米散射是完全弹性散射，回光信号波长与发射波长相同，不能反映散射物质的结构信息，但米散射散射截面较大，且后向散射较强，会产生较大的后向散射信号，且散射截面与波长无明显依赖关系，这正是大量气 溶胶存在时天空呈现白色的原因所在。 在气溶胶后向散射较强的区域（在边界层附近，垂直高度为0~2 km），基于气溶胶的测风激光雷达提供了高频谱分辨率和高灵敏度测量的可能性，但是基于气溶胶后向散射的激光雷达系统不能测量高垂直高度的参数[8]。激光波长多选择1064nm和532nm[9]。对于在高层大气（高对流层至平流层顶区域5~40 km），由于高空气溶胶成分很少，气溶胶浓度较低，基于气溶胶的测风激光雷达就无能为力了，只能是利用分子后向散射信号。而由于分子的后向散射信号强度与发射激光波长的负四次方成正比，且人眼在紫外波段可承受的光强要比可见和近红外区高出3个数量级，所以发射激光波长多选取355 nm 的紫外光。虽然较宽的分子后向散射频谱限制了风速测量的灵敏度，但是分子散射提供了一个全球基础上的可靠而相对稳定的散射源，这对于高层大气风速测量以及星载风场测量是特别重要的[10]。 2.3 多普勒效应 脉冲多普勒激光雷达是利用大气对激光的多普勒效应工作的。多普勒效应是指当波源和观测者在存在相对运动时，观测者接收到的波的频率与波源发出波的频率不同的现象。远离波源会导致观测到的波的频率降低，而靠近波源则会导致升高，而且降低和升高的程度与观测者相对波源的运动速度成正比。 这种现象最初是对于声波现象的描述，但是原理对于电磁波也完全适用。如果可以获知多普勒现象中的频移量大小，那么在标准波速己知的情况下，我们就可以获得波源与接收者之间的相对运动速度。鉴于我们对于大气中的光速有着非常精确的认识，利用光波的多普勒效应对远距离目标、非合作式目标的测速成为了一种有效的遥测测速方法[11]。
多普勒测风的基本工作原理如下： 激光雷达将波长为0（00fc）的激光发射到大气中，假定被照射到的大气粒子（主要是大气分子和气溶胶粒子）在视线方向上相对于光源（激光雷达）有径向移动速度V，则在大气粒子处看来光波频率为
0(1)Vffc（3）
之后，大气粒子将光波反射或散射回来，由激光雷达望远镜接收。由于此时的光源（大气粒子）具有移动的速度V，那么信号接受者（激光雷达望远镜处）看来，回波信号的频率应该为：
02(1)Vffc（4）
总体来看，大气的运动速度参与作用了两次多普勒频移。如果能够获得出射激光和大气散射信号的频率，就可以反演得到被探测区域的风速。 2.4双边缘技术 边缘技术是一种非常有效的测量微小频率差异的方法。在边缘技术中，鉴频器的频