激光与光电子学进展, 2019, 56 (2): 020001, 网络出版: 2019-08-01   

相干测风激光雷达研究进展和应用 下载: 2796次封面文章

Research Progress and Application of Coherent Wind Lidar
周艳宗 1,2王冲 1,2刘燕平 1,2夏海云 1,2,*
作者单位
1 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室, 安徽 合肥 230026
图 & 表

图 1. 相干多普勒激光雷达示意图

Fig. 1. Coherent Doppler lidar schematic

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图 2. 不同天顶角下可见光到近红外波段的大气透过率

Fig. 2. Transmittance of the atmosphere from visible light to near infrared bands at different zenith angles

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图 3. 近红外波段激光增益介质和人眼最大曝光率示意图

Fig. 3. Laser gain medium and human eye maximum exposure rate in the near infrared band

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图 4. 光纤损耗与波长的关系

Fig. 4. Relationship between fiber loss and wavelength

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图 5. 太阳辐射与激光波长之间关系图

Fig. 5. Relationship between solar radiation and laser wavelength

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图 6. NASA相干激光雷达装置图及风速测量结果图。(a)相干激光雷达装置图;(b)风速测量结果

Fig. 6. NASA coherent lidar installation diagram and wind velocity measurement results. (a) Lidar prototype; (b) wind speed measurement results

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图 7. 三菱电机公司机载雷达风速测量结果。(a)风速结果;(b)垂直加速度的周期性变化;(c)室外温度的周期性变化

Fig. 7. Mitsubishi electric corporation airborne lidar wind velocity measurement results. (a) Results of wind velocity; (b) periodic change in vertical acceleration; (c) periodic change in outside air temperature

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图 8. 不同雷达的风速测量结果。(a)微波雷达;(b) Leosphere公司相干雷达

Fig. 8. Wind velocity measurement results of different radars. (a) Microwave radar; (b) Leosphere coherent lidar

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图 9. Halo-Photonics公司机载雷达风速测量结果边界层反演结果。(a)相干激光雷达后向散射系数;(b)垂直风速标准差;(c)垂直风速;(d)垂直速度偏度

Fig. 9. Halo-Photonics airborne lidar wind measurement results and boundary layer inversion results. (a) Coherent lidar backscatter coefficient; (b) vertical velocity standard deviation; (c) vertical velocity; (d) vertical velocity skewness

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图 10. 中国科学技术大学全光纤测风激光雷达及风速风向测量结果。(a)相干激光雷达样机;(b)利用单平衡探测器从S态和P态反散射反演得到的风速,插图表示S态和P态之间的速度差;(c)水平风速;(d)水平风向

Fig. 10. All-fiber coherent wind lidar of USTC and results of wind velocity and direction. (a) Coherent lidar prototype; (b) wind velocity retrieved from both S and P states backscattering by single balanced detector, in which the inset shows the difference in velocity between S and P states; (c) horizontal wind speed; (d) horizontal wind direction

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图 11. 1.5 μm激光雷达研究机构探测距离及脉冲能量指标

Fig. 11. Detection distance and pulse energy parameters of 1.5 μm lidar research institutions

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图 12. NOAA相干激光雷达风速测量结果。(a)径向风速数据;(b)对应的相对后向散射强度

Fig. 12. NOAA lidar wind velocity measurement results. (a) Radial velocity data; (b) corresponding relative backscatter intensity profile

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图 13. NASA相干激光雷达风速风向测量结果。(a)风速;(b)风向

Fig. 13. NASA lidar wind velocity and wind direction results measurement results. (a) Wind velocity; (b) wind direction

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图 14. 中国香港九龙天文台测得的风切变

Fig. 14. Wind shear detected by Kowloon Observatory, Hong Kong, China

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图 15. ONERA测得的飞机涡流。(a)尾流涡模型径向速度;(b)平均速度三维视图

Fig. 15. Aircraft wake vortex detected by ONERA. (a) Radial velocity of wake vortex model; (b) 3D view of mean velocity images

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图 16. 垂直风速误差和混合层高度图

Fig. 16. Results of vertical wind velocity error and mixed layer height

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图 17. 1.8 km和6.7 km处的(a)水平风及(b)小波变换功率谱

Fig. 17. (a) Horizontal wind perturbations and (b)wavelet power spectra measured at 1.8 km and 6.7 km altitude

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图 18. 中国海洋大学相干激光雷达风速测量结果。(a)雷达样机;(b)风速测量结果

Fig. 18. OUC lidar wind velocity measurement results. (a) Lidar prototype; (b) wind velocity measurement results

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表 1多普勒测风激光雷达研究状况

Table1. Research status of Doppler wind lidar

DetectionmethodCoherentdetectionCoherentdetectionCoherent detection /direct detectionCoherent detection /direct detectionDirectdetectionDirectdetection
Wavelength /nm10600200015001060532355
LaserCO2Tm∶YLuAG;Tm,Ho∶YAGRaman OPO-Nd∶YAG;ErNd∶YAGNd∶YAGNd∶YAG
Reference[1][2][3][4][4][4]
Detection objectAerosolAerosolAerosolAerosolMoleculeMolecule

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表 21.5 μm国外相干激光雷达研究单位及指标

Table2. Research institutes and parameters of 1.5 μm coherent lidar abroad

Company(year)Wavelength /μmEnergy /μJPulsewidth /nsPRF /HzDetectionrange /kmDistanceresolution /mTelescopediameter /mm
Mitsubishi (2001)[37]1.54010900228150005-100
Halo-Photonics (2004)[77]1.5621150--8--
Mitsubishi (2010)[42]1.500550040001.57050
FiberTek (2011)[34]1.50012080025000
Mitsubishi (2012)[47]1.5501400580400030300150
SgurrEnergy (2013)[74]1.550---4--
ONERA (2014)[55]1.5455006501000016200-
QinetiQ (2015)1.500--100000.220-
NASA (2016)[30-31]1.500240400200000.4-1015-60101
Leosphere (2017)1.540-25-200-12-1425-200-
LMCT (2017)[29]1.6172500±500250±5075015100-
Halo-Photonics (2017)1.562-800-1218-120-

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表 3国内相干激光雷达研究单位及指标

Table3. Research institutes and parameters of coherent Doppler lidar in China

Company (year)Wavelength /μmEnergy /μJPulsewidth /nsPRF /HzDetectionrange /kmDistanceresolution /mTelescopediameter/mm
STIP (2011)[92]1.550100--3--
SIOM (2012)[94]1.540435001000037550
OUC (2015)[98]1.5505040010000460
USTC (2017)[102]1.5481003001562566080

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周艳宗, 王冲, 刘燕平, 夏海云. 相干测风激光雷达研究进展和应用[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(2): 020001. Yanzong Zhou, Chong Wang, Yanping Liu, Haiyun Xia. Research Progress and Application of Coherent Wind Lidar[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(2): 020001.

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