1 广州市突发事件预警信息发布中心, 广东 广州 511430
2 广州市气象台, 广东 广州 511430
3 广州市黄埔区气象局, 广东 广州 510700
4 广州市气象局观测预报处, 广东 广州 511430
5 安徽蓝科信息科技有限公司, 安徽 合肥 230031
6 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
7 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230000
精确观测大气风场在气象、**、航空航天等领域具有十分重要的意义。相干测风激光雷达能够实时有效地进行大气矢量风场探测。为此研制出一款基于多普勒原理的相干测风激光雷达，并进行外场观测验证了其性能。该系统可探测垂直上空45～3000 m的水平风场以及垂直气流，最大可探测风速为60 m/s。分析比对了该雷达于2021年10月16日08：00―20日00：00在广州市黄埔区气象局观测的数据与同时段同地点微波风廓线雷达的观测数据，结果表明二者具有良好的一致性。重点分析了2021年10月18日10：00―20日00：00的典型观测数据，进一步验证了该相干测风激光雷达所测数据的准确性。该雷达在风场探测上的应用将为气象参数监测和预报精度的提高以及极端灾害性天气的预警提供实时数据支撑。
激光雷达 多普勒 相干测风 风场比对 lidar Doppler coherent wind measurement wind profile comparison
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
报道了基于光纤-固体混合放大的百纳秒脉冲宽度单频大能量1064 nm激光光源的研究工作。采用1064 nm分布反馈（DFB）半导体激光器作为单频连续种子光光源，采用声光调制器将种子光整形为脉冲宽度约为149.0 ns的洛伦兹波形脉冲光，重复频率为60 Hz，经过级联的全保偏光纤放大器放大后，获得单脉冲能量约为2.1 μJ、脉冲宽度约为216.7 ns的脉冲光输出。固体放大部分采用激光二极管（LD）端面抽运的Nd∶YVO4晶体作为高增益的前放大器进行双程放大，采用LD单侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为预放大器进行双程放大，采用两级LD双侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为功率放大器，最终获得了单脉冲能量为151.4 mJ、脉冲宽度约为267.8 ns的激光输出。采用光学外差法对输出脉冲激光的线宽进行了测试，线宽约为14.2 MHz。研究结果为星载相干测风激光雷达采用1.06 μm的激光光源提供了新的技术路线。
激光器 百纳秒脉宽 单频 大能量 相干测风
1 中国民用航空局 新疆空管局 气象中心,乌鲁木齐 830016
2 成都信息工程大学 大气科学学院 高原大气与环境四川省重点实验室,成都 610225
为了研究低空风切变风场结构,针对乌鲁木齐机场2021-11-26发生的风切变不安全事件,采用FC-Ⅲ型激光测风雷达产品数据,配合美国国家环境预报中心再分析资料和常规气象观测资料进行分析和验证,取得了风切变演变过程的数据。结果表明,该次风切变过程发生在特定的地形风作用下,冷锋前小尺度冷空气造成显著的风向风速变化,东南风急流底部与西北风风带形成倾斜向上的垂直切变区,并引发冷锋型低空风切变; 风切变发生前1 h,乌鲁木齐机场周边出现了风场转换; 平面位置显示模式比航空器报告提前10 min监测到风切变,为东南大风风速骤减区,且风切变区随冷空气渗透西移; 冷空气渗透过程东南大风层变薄西撤;07#跑道附近,正侧风迅速减小且进近过程中伴有风向的大角度转变;冷空气由25#跑道向07#跑道楔形渗透,渗透过程发生在08:30~10:25期间;激光雷达捕捉到该次低空小尺度冷空气活动,分析出冷空气由东北侧进入呈后倾状态的演变过程和结构,并触发了中度风切变预警。这一结果对提高气象服务保障能力是有帮助的。
激光技术 测风激光雷达 低空风切变 飞行安全 风场结构特点 laser technique wind light detection and ranging low-level wind shear flight safety structural characteristics of wind field
吴俊杰 1,2,*徐足音 1,2,3王耀辉 1,2,3杨传军 1,2,3陈明 1,2,3
1 中国民用航空飞行学院 航空气象学院, 广汉 618307
2 中国民用航空飞行学院 民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室, 广汉 618307
3 中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院, 广汉 618307
为了评估相干测风激光雷达在不同扫描模式下探测效能与气象要素之间的联系, 使用2020-08~2021-07期间广汉机场相干测风激光雷达探测数据进行了分析验证。结果表明, 方位角测量模式扫描方式下, 探测距离在3 km之后, 探测效能线性下降,90°扫描时, 500 m后探测效能开始线性下降; 总体探测效能在11月最高, 7月最低; 11月至次年7月呈下降趋势, 7~11月呈上升趋势; 在日落后至日出前的探测效能较低, 在午间探测效能最高; 夏秋季节, 激光雷达探测效能与PM2.5质量浓度呈现正相关, 与降雨量的对数呈负相关。该研究为机场激光雷达识别低空风切变准确度提供了重要的基础保障。
激光技术 探测效能 相干测风激光雷达 PM2.5质量浓度 降雨量 laser technique detection efficiency coherent wind light detection and ranging PM2.5 mass concentrations precipitation
1 民航宁夏空管分局, 银川 750009
2 国家气象中心, 北京 100081
3 民航新疆空中交通管理局, 乌鲁木齐 830016
为了研究动量下传大风的特征、探讨动量下传大风的预报方法, 利用美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料、常规气象观测资料和测风激光雷达(LiDAR)资料, 对银川机场2022-03-06动量下传大风过程进行了分析。结果表明, 银川机场位于西风急流入口左侧的辐合区, 为动量下传大风的发生提供了有利的环流背景,在晴空条件下, 测风激光雷达产品可以精准探测动量下传大风的时空演变特征; 多普勒光束摆动(DBS)模式产品中强下沉气流标志动量下传开始, 平面位置显示(PPI)模式探测范围的衰减程度和变化方位反映了沙尘天气强度和影响路径, 距离高度显示(RHI)模式500 m高度径向风分层现象的出现及被破坏是动量下传变化的预报指标; 利用测风激光雷达可提前30 min计算和预报出动量下传大风的出现时间。该研究对提高气象服务保障能力具有重要意义。
激光技术 大风预报 测风激光雷达 动量下传 温度对数压力图 laser technique gale forecast wind light detection and ranging momentum downward temperature logarithmic pressure diagram
1 盐城工学院 电气工程学院, 盐城 224051
2 盐城师范学院 物理与电子工程学院 江苏省智能光电器件与测控工程研究中心, 盐城 224007
3 江苏省大气探测激光雷达技术军民融合创新平台, 盐城 224007
传统的测风激光雷达双反射镜式2维扫描系统体积较大、结构相对复杂, 不利于系统小型一体化集成。基于旋转双圆楔形棱镜, 研究了新型2维光学扫描系统; 分析了系统的工作原理, 推导出了双圆楔形棱镜的旋转角与出射光束方位角及天顶角之间的简单正反向函数关系式, 对楔形棱镜的折射率和楔角进行了优化选取和设计。结果表明,当工作波长为532 nm、楔形棱镜材料折射率为2.03时, 最优设计楔角为19.5°; 出射光束最大天顶角不仅取决于楔形棱镜折射率和楔角, 还受光束压缩效应的制约。该系统结构紧凑、便于集成, 能实现出射光束大范围和快速高精度的扫描, 也能实现测风激光雷达以平面位置显示、距离高度显示等光束扫描模式工作。
光学设计 2维扫描系统 测风激光雷达 旋转双楔形棱镜 光束指向 正反解 optical design 2-D scanning system wind LiDAR rotational double wedge prism beam steering forward and inverse solutions
1 南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044
3 青海省气象台，青海 西宁 810012
4 上海卫星工程研究所，上海 200240
星载测风激光雷达具有高精度、高垂直分辨率、全球覆盖等特点，是获取全球风场的有效手段。聚焦于米散射通道测风模式，对冰云与气溶胶同时存在的较复杂场景实施星载激光雷达测风的仿真模拟。基于菲佐干涉仪的测风原理构建了一套包含6个子模块的正演模型，以大气激光多普勒雷达（ALADIN）仪器参数作为输入值，模拟了典型场景下的探测信号，并结合反演分析了测风精度水平。结果发现，云层和气溶胶的回波能够增强探测器获取信号的信噪比，从而提升反演精度，将风速误差控制在±1.2 m/s范围内；但当云层冰水含量较大时，由于衰减作用使得云层下方信噪比削弱，从而增大反演风速误差，部分区域甚至无法实施有效探测。另外，在采用重心法反演风速时，可通过增加累积电荷耦合器件（ACCD）探测器通道数来减小风速振荡误差。上述研究可为设计和改进星载测风技术提供参考。
遥感 星载激光雷达 主动遥感 菲佐干涉仪 仿真模拟 非相干测风 中国激光
2023, 50(23): 2310002
1 中国科学院西安光学精密机械研究所 光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 航天东方红卫星有限公司，北京 100094
星载测风干涉仪采用临边观测模式测量大气气辉谱线的多普勒频移来实现大气风场探测，干涉仪有效覆盖性会受到探测目标源及卫星平台模式的限制，在卫星任务规划前端对观测数据进行分析，判断其是否满足科学目标，对风场数据应用具有重要意义。首先，建立了临边观测几何模型，对卫星运行期间仪器的临边切点分布情况进行仿真；其次，探讨了影响仪器有效观测的主要因素，并以昼气辉探测为例，分析在不同时段下，太阳入射角与干涉仪有效时空覆盖性之间的关系；最后使用分离变量法研究卫星轨道参数对测风干涉仪有效覆盖性的影响，并评估不同轨道参数下的干涉仪对欧亚大陆的覆盖百分比。结果表明：1）影响仪器有效观测的因素主要为太阳天顶角和太阳散射角，太阳入射角影响切点纬度覆盖范围和切点地方时；2）卫星轨道倾角和轨道高度共同决定仪器有效覆盖效率，且轨道倾角为欧亚大陆覆盖百分比的主要影响因素，当轨道倾角在60°~80°之间时，覆盖百分比可达到百分百。文中为星载干涉仪的后续设计及性能评估提供了观测几何框架，实现了载荷观测覆盖效能的定量分析，且该模型具备泛用于其他各类大气光学遥感载荷观测模式分析的能力。
星载测风干涉仪 临边观测 数据有效性 覆盖性 覆盖百分比 spaceborne wind interferometer limb observation data validity coverage coverage percentage 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230106
中国空间技术研究院 北京空间机电研究所，北京 100194
三通道355 nm光学鉴频器广泛应用在星载测风激光雷达回波信号鉴频过程中，是实现双边缘风速多普勒鉴频的核心元件，其指标与可靠性决定了系统的探测精度。研制了基于压电换能器(piezo-electric transducer, PZT)调谐的355 nm三通道标准具鉴频模块，模块有效口径35 mm，峰值透过率75%，自由光谱范围12.5 GHz，半高宽1.7 GHz。通过三通道测试系统对自由光谱范围、半高宽、峰值透过率、调谐系数等指标进行了测试。结果表明：当外部驱动电压为75 V时，峰值透过率分别为0.859、0.878和0.735，半高全宽分别为1.843 GHz、1.882 GHz和1.611 GHz，调谐系数为1.96 GHz/V、1.93 GHz/V和1.88 GHz/V。针对光学鉴频模块3个通道PZT调谐系数不一致的情况，分析出对风速误差的影响范围为±0.1 m/s。通过对闭环控制系统进行测试，该系统可实现对355 nm激光发射频率的实时锁定，解决了光学鉴频模块每次工作状态初始位置不一致带来的问题，提高了风速鉴频精度，可实现锁定时间长达30 min以上，满足了星载测风激光雷达的应用需求。另外，仿真研究表明：当三通道光学鉴频模块间隔变化0.08 nm时，引起的风速误差为1 m/s。
测风激光雷达 光学鉴频器 自由光谱范围 峰值透过率 闭环反馈控制 wind lidar optical frequency discriminator free spectral range peak transmittance closed-loop feedback control
