直接测风激光雷达研究
直接测风激光雷达是探测晴空风场精细结构的遥感工具,对于天气预报、大气动力学研究、航空风切变安全预警和国防应用都有重要的意义和显著的应用前景。多普勒激光测风雷达从工作原理上可分为相干和非相干(直接探测)两种。
论文中采用了双通道Fabry-Perot(F-P)干涉仪直接探测系统,探测Mie散射回波信号。考虑到大气气溶胶和分子的运动对发散激光束的作用,在低空,发射激光用1064nm时,大气分子的Rayleigh散射回波信号几乎为零,气溶胶的Mie散射信号相对较强,这给信号的探测带来很大的方便。
鉴频系统是多普勒测风雷达的关键技术之一,能从探测光强度的变化分析出频移量,其鉴频能力会影响雷达测风的精度。本文分析了测风激光雷达的基本原理。
直接探测方法中,边缘技术将激光入射频率锁定在鉴频器陡峭边缘上,较小的频移将导致较大的信号强度变化。论文主要研究测风雷达的鉴频系统,分析了针对低空气溶胶散射信号的双边缘探测理论,然后仿真了F-P对激光束的透过率函数,根据不同F-P的参数对系统灵敏度的影响选择最适合的F-P参数,仿真鉴频系统的鉴频过程。
分析了激光线宽,标准具表面质量等对系统鉴频的影响,在现阶段,我们采用的F-P双通道是分开的独立通道,为了提高其稳定性能,进行改进,将两个标准具固定在一个基板上,在受到环境干扰时它们的中心频率漂移变化相同,于是可以保证标准具的频谱中心间隔不受干扰。为了确保出射激光频率在双F-P标准具的中心位置,采用了透过率反馈信号调制标准具腔长。
最后对仿真后的数据进行了分析,选取合适的参数,给出了风速误差随高度
变化模拟结果。
光电雷达技术 课程论文 题目激光雷达技术的应用现状及应用前景
专业光学工程 姓名白学武 学号2220140227 学院光电学院 2015年2月28日 摘要：激光雷达无论在军用领域还是民用领域日益得到广泛的应用。介绍了激光雷达的工作原理、工作特点及分类，介绍了它们的研究进展和发展现状，以及应用现状和发展前景。 引言 激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的T作原理相似，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪和识别。 激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形和数据处理方式，可分为脉冲激光雷达、连续波激光雷达、脉冲压缩激光雷达、动目标显示激光雷达、脉冲多普勒激光雷达和成像激光雷达等：根据安装平台划分，可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达和航天激光雷达；根据完成任务的不同，可分为火控激光雷达、靶场测量激光雷达、导弹制导激光雷达、障碍物回避激光雷达以及飞机着舰引导激光雷达等。 在具体应用时，激光雷达既可单独使用，也能够同微波雷达，可见光电视、
红外电视或微光电视等成像设备组合使用，使得系统既能搜索到远距离目标，又能实现对目标的精密跟踪，是目前较为先进的战术应用方式。 一、激光雷达技术发展状况 1.1关键技术分析 1.1.1空间扫描技术 激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制和扫描体制，其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器，作用距离较远，探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同，能够减小设备的体积、重量，但在我国多元传感器，尤其是面阵探测器很难获得，因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。 机械扫描能够进行大视场扫描，也可以达到很高的扫描速率，不同的机械结构能够获得不同的扫描图样，是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描，扫描速度可以很高，扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小，光束质量较差，耗电量大，声光晶体必须采用冷却处理，实际工程应用中将增加设备量。 二元光学是光学技术中的一个新兴的重要分支，它是建立在衍射理论、计算机辅助设计和细微加工技术基础上的光学领域的前沿学科之一。利用二元光学可制造出微透镜阵列灵巧扫描器。一般这种扫描器由一对间距只有几微米的微透镜阵列组成，一组为正透镜，另一组为负透镜，准直光经过正透镜后开始聚焦，然后通过负透镜后变为准直光。当正负透镜阵列横向相对运动时，准直光方向就会发生偏转。这种透镜阵列只需要很小的相对移动输出光束就会产生很大的偏转，透镜阵列越小，达到相同的偏转所需的相对移动就越小。因此，这种扫描器的扫
49 多普勒测风激光雷达系统 1.研究背景 大气风场信息是一项重要的资源，精确可靠的大气风场测量设备可提高风电可再生能源领域的利用率，改进气候气象学模型建立的准 确性，增强飞行器运行的安全性，因此在风电、航空航 天、气候气象、军事等领域都有着重要的意义。 风场信息测量的手段主要分为被动式和主动式两大类。传统的被动式测量装置有风速计、风向标和探空仪，主动式测量装置有微波雷达、声雷达等。风速计和风向标只能实现单点测量，借助测风塔后实现对应高度层的风场信息检测，这类传统装置易受冰冻天气影响，测风塔的搭建和维护也需要花费大量的人力物力，还存在移动困难和前期征地手续复杂等问题；微波雷达以电磁波作为探测介质，由于微波雷达常用波长主要为厘米波，与大气中的大尺寸粒子（如云、雨、冰等）相互作用产生回波，无法与大气中的分子或气溶胶颗粒产生作用，而晴空时大气中大尺寸粒子较少，因此微波雷达在晴空天气条件下将出现探测盲区。另外，微波雷达还具备庞大的收发系统也导致其移动困难；声雷达与微波雷达测量原理相似，不同的是将探测介质由微波改为了声波。声雷达的探测方式使得在夜间和高海拔地区易出现信噪比降低的情况甚至无法测量。因此，迫切需要补充新型的风场测量手段替代传统测风装置实现大气风场信息的测量。2. 测风激光雷达系统 2015年，南京牧镭激光科技有限公司成功研制出国产化测风激光雷达产品Molas B300，该产品基于多普勒原理可实现40～300 m 风场信息测 ■ 黄晨，朱海龙，周军 南京牧镭激光科技有限公司 第一作者 黄晨 量，风速测量精度可达0.1 m/s ，风向测量精度可达1°，数据更新率为1 Hz ，风速测量范围可达0～60 m/s 。测风激光雷达定位为外场应用装备，对环境适应性有较高要求，Molas B300可在外界温度范围为-40℃～50℃，相对湿度为0%～100%的环境条件下正常工作。除此以外，Molas B300体积小质量轻（约50 kg ）方便运输安装便捷，可显著降低项目前期施工时间。测风激光雷达采用激光作为探测介质，可与空气中微小颗粒发生相互作用，具有时空分辨率高、自动化程度高、安装简单易维护、移动便携性好等优势，可有效提高项目实施效率， 因此成为了最具前景的风场信息测量手段。 表1 各类风场探测技术的优缺点 探测技术优势 劣势风速计、风向标较高的水平分辨率， 成本低单点测量微波雷达三维风场探测，测量距离 可达100 km 晴空条件下不能使用，体积庞大声雷达三维风场探测探测距离较近，易受大气环境影响 测风激光雷达 三维风场探测，晴空下仍 能测量，移动便携性好 图1 测风激光雷达Molas B300
固体激光测风雷达扫描镜旋转控制系统 X 张 博 刘智深 张凯临 黄海龙 (中国海洋大学海洋遥感研究所,海洋遥感教育部重点实验室,青岛266003)摘 要: 多普勒激光测风雷达是近年来方兴未艾的1种全新的大气风场探测手段。但是激光测风雷达直接测量的是视线方向上的激光反射光的频移(视线风速)。在这个基础上,激光雷达还必须能够获得多方位的风速数据才能够反演出风场。这就需要相应的光学扫描系统,它在保证发射、接收视场重叠的前提下,控制激光束投射到指定的方向,使激光雷达获得不同视线角度的风速数据。本文介绍的激光雷达测风系统中的光学扫描部分实现了上述要求,在水平旋转和俯仰控制上的精度都达到了<0.5°。完全能够满足激光测风系统的实用需要。 关键词: 激光测风雷达;扫描镜;单片机;扫描控制 中图法分类号: P 715.7 文章编号: 1001-1862(2003)04-621-06 多普勒激光测风雷达是1种全新的大气风场探测手段。激光测风雷达直接测量的是视线方向的激光频移(视线风速),既然要探测大气的风场,激光测风雷达必须能够探测多方位的风速数据来反演风场。要保证这一点,就需要相应的光学机械扫描、接收系统。 法国CNRS (科学研究院)著名的测风激光雷达不使用扫描转镜系统[1],而是整个发射与接收系统三维转动。美国国家天文与电离层中心著名的测风激光雷达[2] 使用的是双转镜系统。本文讨论的即是双转镜系统。 激光测风雷达集成了精密的光学发射、接收系统,因而整个光学扫描系统在实现多方位(2P 立体角)扫描的同时,还要保证发射视场和接收视场的严格重合。另外由于整个系统要在室外,甚至野外工作,对各种恶劣条件下的防尘、防雨问题也应有必要的考虑。 整个激光雷达测风系统的扫描、数据采集、处理都由计算机控制,目的是要实现一定的自动化,因此光学扫描系统的程序控制和精确的角度定位是必不可少的。另外,为了实验调试的方便,还开发了附加的手动控制系统,它的好处是操作直观、灵活性大。 本激光雷达测风系统中的光学扫描部分在水平旋转和俯仰控制上都达到了<0.5°的精度。从实际使用情况来看,该系统工作可靠,操作灵活,定位准确。1 扫描镜系统的构成 整个扫描系统主要由机械扫描转镜、控制系统和PC 机软件(接口)3部分组成: 其中第1部分是整个扫描系统的机械框架,它通过两面反射镜实现了发射、接收视场在半第33卷 第4期 2003年7月 青岛海洋大学学报JOURNAL OF OCEAN UNIVERS ITY OF QINGDAO 33(4):621～626 J uly,2003 X 国家高技术研究发展计划(863)十三主题项目(2002AA135280);国家自然科学基金项目(40176011)资助收稿日期:2002-06-17;修订日期:2003-04-18 张 博,男,1977年11月出生,硕士。
直接探测多普勒测风激光雷达 引言 风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量，利用风的数据，可以获得大气的变化，并预见其改变，促进人类对能量、水、气溶胶、化学和其它空气物质圈的了解，提高气象分析和预测全球气候变化的能力。目前的风场数据主要来源于无线电探空测风仪、地面站、海洋浮标、观测船、飞行器以及卫星，它们在覆盖范围和观测频率上都存在很大限制。对全球进行直接三维风场测量已经提到日程上来，世界气象组织提出了全球范围的高分辨率大气风场数据的迫切需要，迄今为止，多普勒测风激光雷达是唯一能够获得直接三维风场廓线的工具，具有提供全球所需数据的发展潜力[1]。 激光雷达是探测大气的有力工具，随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测、数据采集以及控制技术的发展，激光雷达技术的发展也日新月异。多普勒测风激光雷达具有实用性、高分辨率和三维观测等优点，是其它探测手段难以比拟的[2, 3, 4]。 新研制的1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达，利用双边缘技术对对流层三维风场进行探测[5]。本文介绍了该激光雷达 的总体结构及其各部分的功能，并对其探测对流层风场的初步结果进行了分析和讨论。 1 总体结构和技术参数 1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达从整体上由激光发射单元、二维扫描单元，回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分组成，其结构示意图和外观照片分别见图1和图2，主要的技术参数见表1。
激光发射单元、回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元放置在光学平台上，保证其光学稳定性。Nd:YAG激光器的中心波长是1064 nm，工作在此波长，可以有较大的激光输出功率，并且气溶胶的后向散射截面比较大。脉冲重复频率为50 Hz，可以节省探测的时间，能捕捉短时间内风速的变化，有利于提高风速探测的准确度。同时，激光器内部注入种子激光可以保证激光器的频率稳定。 二维扫描单元安置在实验房的房顶，接收望远镜的上方。由两个镀有1064 nm 波长全反的介质膜的平面反射镜、水平旋转机构和垂直旋转机构组成的大口径光学潜望式结构。通过软件控制或者手动调节能够全方位扫描，水平方向可以旋转0o至360o，垂直方向可以旋转0o至180o。进行常规探测时采用四波束法，水平方位依次按照0o、90o、180o和270o四个方位探测，即东、南、西和北四个方位，工作仰角为45o。 接收望远镜在二维扫描单元的正下方，有效通光口径为300 mm，如图1所示。主镜镀有1064 nm波长全反的介质膜，反射率高达99%。望远镜接收的大气后向散射回波信号耦合至光纤，由光纤导入到准直镜后成为平行光，经过压制背景光的窄带滤光片后，由20％反射、80％透射的分束片分成两部分。20％的反射信号作为能量探测，由直角反射棱镜分成两束，分别由光子计数探测器接收；80％的透射信号作为信号探测，经过双Fabry-Perot标准具的两个通道后，由于透过率的不一样，得到强度不等的两束光信号，由直角反射棱镜分为两束，由相应的光子计数探测器接收。四个光子计数探测器分别将光信号转换为电信号后，输入光子计数卡内，最后由工控机中的主程序对采集的数据进行储存和处理，并实时显示测量的信号强度廓线、风速和风向。
激光雷达的发展历程及车用激光雷达的产业格局和发展趋势
目录索引 研究逻辑 (4) 激光雷达：高精度的传感器，与ADAS及无人驾驶形成良好搭配 (5) 激光雷达的原理与结构：基于TOF飞行时间的高精度测量 (5) 激光雷达的发展历程：从机械走向固态，从单线束走向多线束 (6) 激光雷达与ADAS及无人驾驶形成良好搭配 (7) 车用激光雷达的产业格局和发展趋势 (8) 国外企业破风而行，不断寻求技术突破 (8) 国内企业加速追赶，目标产品逐步成型 (12) 低成本化时代来临，路径选择求同存异 (14) 投资建议 (15) 风险提示 (15)
图表索引 图1：激光雷达工作原理图 (5) 图2：激光雷达系统结构图 (5) 图3：机械激光雷达 (6) 图4：固态激光雷达 (6) 图5：单线激光雷达与多线激光雷达对比 (7) 图6：2.5D激光雷达 (7) 图7：3D激光雷达 (7) 图8：主要类型的ADAS传感器 (7) 图9：不同类型的ADAS传感器性能对比 (8) 图10：Velodyne激光雷达产品及主要参数 (9) 图11：HDL-64E正面构造 (9) 图12：HDL-64E背面构造 (9) 图13：Ultra Puck产品计划 (10) 图14：Ultra Puck内部结构 (10) 图15：Quanergy公司的The Mark VIII激光雷达 (10) 图16：The Mark VIII激光雷达的主要参数 (10) 图17：Quanergy公司的S3固态激光雷达 (11) 图18：S3固态激光雷达主要参数 (11) 图19：IBEO车用激光雷达产品 (11) 图20：LUX-4L激光路径 (11) 图21：LUX-8L激光路径 (11) 图22：镭神智能激光雷达产品 (12) 图23：思岚科技激光雷达产品 (13) 图24：华达科捷3D激光雷达 (13) 图25：激光雷达低成本化的主要路径 (14)
第28卷第5期 2004年9月大气科学Chinese Journal of Atmospheric Sciences Vol 128 No 15Sept.2004 2003205208收到,2003210214收到修改稿 3中国科学院百人计划和上海市光科技计划共同资助 基于斐索干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达 3刘继桥 陈卫标 胡企铨 (中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光技术与应用系统实验室,上海201800) 摘 要 提出结合多光束斐索(Fizeau )干涉仪和CCD 探测器的条纹图像技术,测量地球边界层下的三维风场的直接探测多普勒激光雷达技术。在分析Fizeau 干涉仪的物理特性和光谱特性以及影响测量多普勒频移的因数和改进方法的基础上,提出一套切合实际的直接探测多普勒激光雷达系统参数。并利用该参数进行性能评估分析,模拟不同干涉仪参数对风速精度的影响,得出一个优化的干涉仪物理参数。模拟结果显示,系统可以获得小于1m s -1的水平风速精度。这些分析,为建立实际的激光雷达系统提供设计依据。 关键词:多光束斐索干涉仪;直接探测;多普勒激光雷达;风速 文章编号 100629895(2004)0520762209 中图分类号 P415 文献标识码 A 1 引言 大气风场是各种天气过程、大气化学成分循环和海气相互作用的主要动力,因此大气风场探测在气象、环境等领域中有着极其重要的地位。多普勒激光雷达已经被认为是精确测量三维风场的有效手段[1]。从全球风场的测量来看,直接探测多普勒激光雷达技术相对相干技术来说存在一定的优势[2]。边缘检测[3]和条纹图像[4]是目前直接探测多普勒激光雷达中最主要的两种多普勒频移测量技术。边缘检测常采用高分辨率的法—伯(FP )干涉仪[3]或者分子[5]、原子吸收线的翼作为鉴频器,其测量灵敏度依赖于分子和气溶胶的后向散射比和风速大小;条纹图像技术则是利用干涉条纹的移动直接测量多普勒频移。Mc G ill 等[6]详细分析、比较了两种测量技术,认为两种技术在风速测量精度十分接近。Mc Kay 等[7]从星载系统的角度比较两种技术,认为条纹图像技术更适合于研制星载激光雷达系统。 最初的条纹图像技术采用FP 干涉仪和图像光电探测器(IPD )得以实现,但这种多阳极光电倍增管的量子效率比较低,而且像元数很有限[8]。Irang 等[9]演示了利用CCD 探测器的条纹图像的直接探测激光雷达,系统利用复杂的二元光学技术将环形条纹转换成点阵[10],增加系统复杂性。因此,相关学者把目光转移到寻找更加适合的干涉仪来代替FP ,如M 2Z 干涉仪[11]和Fizeau 干涉仪[12]。Mc Kay [12]首次分析了利用Fizeau 干涉仪进行多普勒频移检测,其分析是较初步的,也没有针对具体系统进行分析。由于Fizeau 干涉形成的是直线条纹,这样可以利用量子效率较高的线阵固体探测
自制直接探测多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数介绍引言风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量，利用风的数据，可以获得大气的变化，并预见其改变，促进人类对能量、水、气溶胶、化学和其它空气物质圈的了解，提高气象分析和预测全球气候变化的能力。目前的风场数据主要来源于无线电探空测风仪、地面站、海洋浮标、观测船、飞行器以及卫星，它们在覆盖范围和观测频率上都存在很大限制。对全球进行直接三维风场测量已经提到日程上来，世界气象组织提出了全球范围的高分辨率大气风场数据的迫切需要，迄今为止，多普勒测风激光雷达是唯一能够获得直接三维风场廓线的工具，具有提供全球所需数据的发展潜力［1］。 激光雷达是探测大气的有力工具，随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测、数据采集以及控制技术的发展，激光雷达技术的发展也日新月异。多普勒测风激光雷达具有实用性、高分辨率和三维观测等优点，是其它探测手段难以比拟的［2，3，4］。 新研制的1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达，利用双边缘技术对对流层三维风场进行探测［5］。本文介绍了该激光雷达的总体结构及其各部分的功能，并对其探测对流层风场的初步结果进行了分析和讨论。 1 总体结构和技术参数1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达从整体上由激光发射单元、二维扫描单元，回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分组成，其结构示意图和外观照片分别见图1和图2，主要的技术参数见表1。 激光发射单元、回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元放置在光学平台上，保证其光学稳定性。Nd:YAG激光器的中心波长是1064 nm，工作在此波长，可以有较大的激光输出功率，并且气溶胶的后向散射截面比较大。脉冲重复频率为50 Hz，可以节省探测的时间，能捕捉短时间内风速的变化，有利于提高风速探测的准确度。同时，激光器内部注入种子激光可以保证激光器的频率稳定。 二维扫描单元安置在实验房的房顶，接收望远镜的上方。由两个镀有1064 nm波长全反的
引言 激光雷达是一种可以精确、快速获取地面或大气三维空间信息的主动探测技术，应用范围和发展前景十分广阔。以往的传感器只能获取目标的空间平面信息，需要通过同轨、异轨重叠成像等技术来获取三维高程信息，这些方法与LiDAR技术相比，不但测距精度低，数据处理也比较复杂。正因为如此，LiDAR技术与成像光谱、合成孔径雷达一起被列为对地观测系统计划中最核心的信息获取与处理技术。激光雷达是将激光技术、高速信息处理技术、计算机技术等高新技术相结合的产物。 一、激光雷达的工作原理 激光雷达是一种雷达系统，是一种主动传感器，所形成的数据是点云形式。其工作光谱段在红外到紫外之间，主要发射机、接收机、测量控制和电源组成。工作原理为：首先向被测目标发射一束激光，然后测量反射或散射信号到达发射机的时间、信号强弱程度和频率变化等参数，从而确定被测目标的距离、运动速度以及方位。除此之外，还可以测出大气中肉眼看不到的微粒的动态等情况。激光雷达的作用就是精确测量目标的位置（距离与角度）、形状（大小）及状态（速度、姿态），从而达到探测、识别、跟踪目标的目的。 二、激光雷达的现状及应用 激光技术从它的问世到现在，虽然时间不长，但是由于它有：高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等几个极有价值的特点，因而在国防军事、工农业生产、医学卫生和科学研究等方面都有广泛的应用。LiDAR技术在西方国家发展相对成熟，已经投入商业运行的激光雷达系统（主要指机载）主要有Optech（加拿大）、TopSys（法国）和Leica（美国）等公司的产品。 （一）军事方面的应用 目前，在水雷探测激光雷达、化学试剂探测激光雷达、大气监测激光雷达、生化陆战激光雷达等方面已经有了很大的成就。另外，中国的攻击激光雷达已经相当的先进，包含着世界最尖端的五大核心技术：激光材料研究的突破、激光辐射材料物理机理及成像图谱研究的突破、一次性快速跟踪定位控制技术的突破、高密度能量可逆转换载体材料的突破、激光成像技术的突破。 （二）测风方面的应用 多普勒测风激光雷达具有高分辨率、高精度、大探测范围、能提供晴空条件下三维风场信息的能力。多普勒测风激光雷达利用光的多普勒效应，测量激光光束在大气中传输及其回波信号的多普勒频移来反演空间风速分布。主要有相干（外差）探测和非相干（直接）探测两种方式。 （三）气象方面的应用：我国已经建立12个沙尘暴长期观测站，首次形成全国性的沙尘暴监测网络。可以通过先进的观测、模拟和卫星遥感的联合研究，查明中国沙尘暴发生的确切源地，科学地分辨气象、气候条件变化等自然因素和沙漠化土地增加等人为因素对沙尘暴的影响，为准确预警、预报沙尘暴，制定全面高效的防治计划提供科学依据。 （四）医学方面的应用 美国能源部所属的Oak Ridge国家实验室开发出一种集成了激光和雷达系统的系统，这种系统可以减轻烧伤病人的痛苦。研究人员希望这种同频连续波激光雷达映射系统，可以从病人身体上去除坏死的皮肤和肌肉。这种新系统可以对烧伤病人的体表组织进行三维的激光雷达定位探测，以确定损害程度。利用探测定位结果，激光可以自动除去坏死的组织以利于新组织生长。 （五）水土保持监测中的应用 目前，全国由于建设开发的影响，给水土流失治理带来很大的难度，据调查，全国每年由于开发建设使水土流失面积达到1.00×104平方千米由以上。由于激光雷达在测量精度上比传统方法测量结果要精细许多，更真实、可信；而且，可详细反映所测场地的形态，轻松实现三维建模，从而真正实现了非接触式测量，大大减少了外业工作量，降低了外业危险；并且可对开挖边坡、崩岗、山体滑坡等许多形式的水土流失进行测量，使传统水土保持走上“精耕细作”之路。 三、激光雷达的发展趋势 （一）星载激光雷达
直接测风激光雷达研究 直接测风激光雷达是探测晴空风场精细结构的遥感工具,对于天气预报、大气动力学研究、航空风切变安全预警和国防应用都有重要的意义和显著的应用前景。多普勒激光测风雷达从工作原理上可分为相干和非相干(直接探测)两种。 论文中采用了双通道Fabry-Perot(F-P)干涉仪直接探测系统,探测Mie散射回波信号。考虑到大气气溶胶和分子的运动对发散激光束的作用,在低空,发射激光用1064nm时,大气分子的Rayleigh散射回波信号几乎为零,气溶胶的Mie散射信号相对较强,这给信号的探测带来很大的方便。 鉴频系统是多普勒测风雷达的关键技术之一,能从探测光强度的变化分析出频移量,其鉴频能力会影响雷达测风的精度。本文分析了测风激光雷达的基本原理。 直接探测方法中,边缘技术将激光入射频率锁定在鉴频器陡峭边缘上,较小的频移将导致较大的信号强度变化。论文主要研究测风雷达的鉴频系统,分析了针对低空气溶胶散射信号的双边缘探测理论,然后仿真了F-P对激光束的透过率函数,根据不同F-P的参数对系统灵敏度的影响选择最适合的F-P参数,仿真鉴频系统的鉴频过程。 分析了激光线宽,标准具表面质量等对系统鉴频的影响,在现阶段,我们采用的F-P双通道是分开的独立通道,为了提高其稳定性能,进行改进,将两个标准具固定在一个基板上,在受到环境干扰时它们的中心频率漂移变化相同,于是可以保证标准具的频谱中心间隔不受干扰。为了确保出射激光频率在双F-P标准具的中心位置,采用了透过率反馈信号调制标准具腔长。 最后对仿真后的数据进行了分析,选取合适的参数,给出了风速误差随高度
变化模拟结果。
激光自20世纪被人类发明以来，它的优势在各方面都得到了认可，也成为了继核能、半导体和电子计算机之后，人类又一重大科技成果。激光雷达是激光技术与传统雷达相结合的产物，它集合了激光技术与雷达技术一系列特点，将光、机、电融合一体，形成具有独特性能的崭新雷达体制，是一种将激光束作为新的探测信号主动式的现代光学遥感技术。激光技术产生和发展，为雷达提供了一种更为理想的辐射源，使激光雷达得以迅速发展。 本文从激光雷达结构出发，介绍激光雷达工作原理与特点，然后阐述激光雷达在军事、大气水域监测、建模与测绘以及航天工程中的应用，尤其是近年来最热门的无人驾驶汽车上的应用。 1 激光雷达工作原理 1.1 激光雷达概念 激光雷达是传统雷达与激光技术相结合的产物，是以激光束作为信息载体，可以用相位、频率、偏振和振幅来搭载信息的主动式雷达。激光雷达发射激光束频率较传统雷达高几个数量级，故频率量变使得激光雷达技术产生了质的变革；又由于激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性特点，所以激光雷达能够精确测距、测速和跟踪，还具有很高角分辨率、速度分辨率和距离分辨率，对更小尺度的目标物也能产生回波信号，在探测细小颗粒有着特有优势。 1.2 激光雷达工作原理 激光雷达一般由激光发射机、激光接收机、光束整形和激光扩束装置、光电探测器、回波检测处理电路、计算机控制和信息处理装置和激光器组成；激光雷达结构和工作原理如图1所示。激光雷达是以激光器作为辐射源，通过激励源激励，发出空间呈高斯分布的激光束，为了能得到质量更好的激光束，经由光束整形和激光扩束装置，使激光束空间分布均匀，加大了激光作用距离；整形和扩束好的激光束作为激光雷达探测信号，以大气为传播媒介，辐射到目标物表面上；激光接收机接收目标物反射和散射信号，光信号经由光电探测器转变为电信号，回波检测处理电路从传来的电信号中分出回波信号和杂波干扰脉冲，并放大回波信号，将回波信号送往计算机进行数据采集与处理，提取有用信息。 （南宁师范大学 物理与电子学院，南宁 530299） 摘 要：激光雷达以其特点和技术优势，在军事和民用上得到广泛应用。基于此，主要介绍了激光雷达工作 原理、特点以及激光雷达在军事、大气水域监测、建模与测绘、航天工程中的应用，阐述说明近年来最热门的无 人驾驶汽车中激光雷达应用方法，并对激光雷达未来进行展望。 关键词：激光雷达 工作原理 特点应用 图1 激光雷达结构及工作原理图 雷达探测、跟踪以及识别未知情况下目标物体作准备。 2 激光雷达特点 激光雷达的一些特点远远超过其他雷达，这些技术优 势显著，如采集数据密度大、精度高、分辨率高以及探测 距离远，使其在很多工作领域内得到普遍应用。激光雷达 与普通雷达各方面能力对比，如表1所示。
激光雷达测风仪技术要求 A.1 激光雷达测风仪技术性能基本要求 A.2 检验要求 激光雷达测风仪应定期进行检验，检定周期、检验方式应根据出厂说明进行。
测量场地地形评估 不进行标定的测量场地，应满足表B.1所列的条件。 表B.1 无需标定场地条件 注释：1.定义的扇区如图B.1所示 2.选择与扇区地形最吻合，并通过塔架基础的平面，该平面与实际地形之间的最大倾角，以及偏离平面的最大偏差，定义和计算方法如图B.2所示，倾角计算公式为： 最大倾角0max( )i i Z Z d -=（B.1） 地形偏离平面最大偏差0max()i Z Z =-（B.2） 3.塔架基础与扇区内任一点连接线的最大倾角，倾角计算见公式（B.1），定义和计算方法如图B.3所示。 图B.1 测量扇区分布示意 AB 图B.2 与扇区地形最吻合的连接线的最大倾角和地形最大偏差 AB 8L 到16L 之间2L 到2L 量区域
图B.3 通过塔架与扇区地形任一点连接平面与水平面之间的最大倾角
附录C （规范性附录） 测风塔安装规范 C.1 一般规定 C 1.1 选用的测风装置应经过标定，且在有效期内。 C 1.2 测风装置的安装应牢固、稳定。 C.2 顶部风速计的安装 C 2.1 应将风速计安装在测风塔顶端1.5m以上，应通过一个垂直圆管固定风速计，圆管顶端以下1.5m段的直径应不大于风速计，圆管垂直度不大于2o。 C 2.2 风速计以下1.5m内不能存在其他气流干扰物，其他测量仪器应至少在风速计4m以下。测风塔的任何部分都不能超过以风速计为顶端、以11倍测风塔侧边长度为底部直径的锥面外。顶部风速计安装示意见图C.1。 图C.1 顶部风速计安装示意 C.3 侧边风速计的安装 C 3.1 侧边风速计应成使用，若横杆直径为d，测风仪应安装在横杆20d以上，推荐25d；两风速计应等高，相互间隙不小于2.5m且不大于4.0m。 C 3.2 应通过一个垂直圆管将风速计固定在横杆上，风速计以下1.5m内不能存在其他测量装置且风速计4m以下不能存在其他测量仪器。 C 3.3 除风速计垂直杆及水平横杆外，测风塔其他部分不能超过以两风速计水平中心点为顶端的、以11倍测风塔侧边长度为底部直径的锥面外。侧边风速计安装示意图见图C.2。 C 3.4 横杆应于测风塔同心安装，两风速计的相互影响应进行评估。
双边缘技术多普勒测风激光雷达 姓名： 学号： 学院： 专业： 联系方式： 2017-2-23
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
WINDCUBE激光雷达海上测风方案 北京莱维塞尔科技有限公司 二零一二年 目录
引言 (2) 第一部分海上单桩平台介绍 (3) 一、桩体结构形式： (3) 二、桩体俯视图 (4) 三、桩体加工与运输 (4) 四、施工介绍 (5) 1、组织结构 (5) 2、施工流程 (5) 第二部分海上激光雷达介绍 (9) 一、WINDCUBE激光雷达基本介绍 (9) 1、主要特点： (9) 2、应用领域： (11) 3、评估认证： (11) 4、Windcube 发展演变： (13) 二、系统技术及性能指标 (14) 2.1WINDCUBE技术原理 (14) 2.2WINDCUBE系统组成 (14) 2.3数据处理软件描述1、软件界面 (16) 2.4系统技术指标 (20) 四、可选模块说明 (20) 1、WINDCUBE双供电系统-M50VP（甲醇燃料+太阳能板） (20) 2、3G/SAT无线传输 (20) 3、WINDCUBE CFD软件工程 (21) 4、GPS安全跟踪系统 (23) 5、PTU 传感器 (23) 五、系统维护 (23) 第三部分、成功应用案例及安装现场 (24) 一、经典应用案例 (24) 二、安装现场 (25)
1、在孤岛上——悬崖边 (25) 2、在灯塔上——Nass&Wind - Lighthouse (25) 3、在大的海上平台上: RES ltd – platform (Race bank round 2) (26) 4、在小的海上平台上-中国国电集团项目 (26) 引言 Windcbue海上激光雷达测风系统采用特殊设计的单桩独柱平台，加上轻巧便携的Windcube 激光雷达测风装置，配套供电系统、防雷系统、航标装置及辅助测风系统，形成一套完备的新型式海上测风体系。与传统式海上测风塔相比，激光雷达海上测风系统特点如下：结构简单、安装方便 施工周期短：传统式海上测风塔制作及施工复杂，时间基本上需要6个月左右；而单桩基础 设计、制作及施工简单，施工面积小，只需要1个月就可以完成，激光雷达安装只需2天，因此，使工期大大缩短。 迁移方便，可重复利用：在陆上测风塔移塔是很普通的事情，但对于海上测风塔，移塔却非 常困难，迁移费用高；而激光雷达测风系统，迁移非常方便，可多次重复利用。 工程造价低，相比海上测风塔，激光雷达的总体报价已经大大降低，具体请咨询我公司。 Windcube海上激光雷达测风系统与传输自立式测风系统对比表
激光雷达技术的发展现状及潜力 摘要：本文主要探讨激光雷达技术的发展现状及潜力，通过对激光雷达技术的发展历程、技术应用来具体阐述。 关键词：激光雷达技术、发展、技术应用 1、前言 激光雷达技术是一门新兴技术，在地球科学领域及行星科学领域有着广泛应用。随着这一技术在相关行业的深入开展，它越来越被世界各国的人们所熟知，并被大力推广、研发和应用，成为当今较为热门的现代量测技术。 激光雷达技术按不同的载体可分为星载、机载、车载及固定式激光雷达系统。其中星载及机载激光雷达系统结合卫星定位、惯性导航、摄影及遥感技术，可进行大范围数字地表模型数据的获取；车载系统可用于道路，桥梁，隧道及大型建筑物表面三维数据的获取；固定式激光雷达系统常用于小范围区域精确扫描测量及三维模型数据的获取。总之，激光雷达技术的出现，为空间信息的获取提供了全新的技术手段，使得空间信息获取的自动化程度更高，效率更明显。这一技术的发展也给传统测量技术带来革命性的挑战。 2、激光雷达技术的发展历程 国外激光雷达技术的研发起步较早，早在20世纪60年代年代，人们就开始进行激光测距试验；70年代美国的阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术；80年代，激光雷达技术得到了迅速发展，研制出了精度可靠的激光雷达测量传感器，利用它可获取星球表面高分辨率的地理信息。到了21世纪，针对激光雷达技术的研究及科研成果层出不穷，极大地推动了激光雷达技术的发展，随着扫描，摄影、卫星定位及惯性导航系统的集成，利用不同的载体及多传感器的融合，直接获取星球表面三维点云数据，从而获得数字表面模型DSM，数字高程模型DEM，数字正射影像DOM及数字线画图DLG等，实现了激光雷达三维影像数据获得技术的突破。使得雷达技术得到了空前发展。如今机光雷达技术已广泛应用于社会发展及科学研究的各个领域，成为社会发展服务中不可或缺的高技术手段。 3、激光雷达技术的工作原理及流程 激光雷达系统是一种集激光雷达扫描探测，卫星定位和惯性导航系统于一身的多功能三维影像获取系统。通常由三部分组成，分别为POS系统，传感器系统以及存储与控制系统。其中POS系统由卫星定位系统和惯性导航系统组成，卫星定位系统通过差分实时测定传感器的空间位置，惯性导航系统精确记录传感器的空间姿态，存储与控制系统将传感器测算的空间信息存储起来，通过后处理软件计算出准确的空间点云数据。并生成各种数字产品如：DSM、DEM、
机载激光雷达的应用现状及发展趋势 摘要：机载激光雷达是一种应用越来越广泛的对地观测系统，本文简要介绍了机载LIDAR系统及其测量原理，并重点综述了机载LIDAR的应用现状最后对其发展趋势进行了展望。 关键字：激光；激光器；激光技术；激光雷达 一、机载LIDAR的技术原理 机载激光雷达（Light Detection And Ranging，LIDAR）是将激光用于回波测距和定向，并通过位置、径向速度计物体反射特性等信息来识别目标。它体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术。机载激光雷达技术起源于传统的工程测量中的激光测距技术，是传统雷达技术与现代激光技术结合的产物，是遥感测量领域的一门新兴技术。 自20世纪60年代末世界第一部激光雷达诞生以来，机载激光雷达技术作为一种重要的航空遥感技术，已经被越来越多的学者所关注。迄今为止，机载激光雷达的研究与应用均取得了相当大的进展，虽然机载激光雷达无法完全取代传统的航空摄影测量作业方式，但可以预见，在未来的航空遥感领域，机载激光雷达将成为主流之一。进入90年代，机载激光雷达系统进入实用化阶段，并成为雷达遥感发展的重要方向之一。机载LIDAR系统是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备，该系统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成，实习对目标的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理，生成高密度激光点云数值，为地形信息的提取提供精确的数据源。其应用已超出传统测量，遥感，以及近景测量所覆盖的范围，成为一种独特的数据获取方式。 与普通光波相比，激光具有方向性好、单色性好、相干性好等特点，不易受大气环境和太阳光线的影响。使用激光进行距离测量可大大提高了数据采集的可靠性抗干扰能力。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时，只要不存在方向反射，总会有一部分光会反射回去，成为回波信号，被系统的接收器所接收，当仪器计算出光由激光器射出返回到接收器的时间为2t后，那么，激光器到反射物体的距离d=光速c×t\2 。 在机载激光雷达系统中，利用惯性导航系统获得飞行过程中的3个方位角 （ψωκ），通过全球定位系统（GPS）获取激光扫描仪中心坐标（x y z），最后利用激光扫描仪获取到激光扫描仪中心至地面点的距离D，由此可以计算出此刻地面上相应激光点（X Y Z）的空间坐标。 假设三维空间中一点的坐标已知，求出改点到地面上某一待定点P（XYZ）的向量，则P点的坐标就可以由加得到。其中点为遥感器的投影中心，其坐标可利用动态差分GPS求出，向量的模是由激光测距系统测定的机载激光测距仪的投影中心到地面激光脚点间的距离，姿态参数可以利用高精度姿态测量装置（INS）进行测量获得的。 利用机载LIDAR系统进行测高作业，根据不同的航高作业，根据不同的航高，其平面精度可以达到0.15至1米，高程精度可达10cm至30cm，地面分辨率甚至可达到厘米级。可以说，机载LIDAR系统是为综合航射影像和空中数据定位二设计的新技术
激光雷达论文 激光雷达技术在气象中的应用 摘要
激光束与大气物质相互作用而产生回波信号是大气探测激光雷达进行大气探测的关键。激光雷达探测大气环境的工作原理是激光器发射的激光通过与大气中的气溶胶及各种大气成分的作用而产生后向散射信号。对探测器接收的携带着被测物质有关的信息(吸收、散射等)进行分析处理便可得到所需的大气物理要素(如大气消光系数、速度、密度等)。 本文主要介绍了激光雷达在气象要素即大气温度、大气湿度和风速中的应用。 关键词：激光雷达气象要素温度风速 目录 一．引言 (4) 二．激光雷达在大气温度检测中的应用 (4)
2.1基于瑞利散射的大气温度检测研究 (4) 2.1.1基于测量瑞利散射回波能量的方法 (5) 2.1.2基于测量瑞利散射半高线宽的方法 (5) 2.2基于拉曼散射的大气温度检测研究 (6) 2.2.1基于转动拉曼散射的方法 (6) 2.2.2基于振动拉曼散射的方法 (7) 三．激光雷达在大气湿度中的应用 (7) 四．激光雷达在风速检测中的应用 (8) 五．参考文献 (9) 六．心得体会 (9)
一．引言 激光雷达系统从整体上可分为激光发射、回波信号接收和采集以及控制三大部分。激光束与大气物质相互作用而产生回波信号是大气探测激光雷达进行大气探测的关键。激光雷达探测大气环境的工作原理是激光器发射的激光通过与大气中的气溶胶及各种大气成分的作用而产生后向散射信号。对探测器接收的携带着被测物质有关的信息(吸收、散射等)进行分析处理便可得到所需的大气物理要素(如大气消光系数、速度、密度等)。在大气环境污染观测中有关风速、气温、湿度等气象要素是不可缺少的重要参数，所以可以将激光雷达技术在气象中的应用按其要素分为在大气温度检测中的应用、在大气湿度检测中的应用、在风速检测中的应用。 二．激光雷达在大气温度检测中的应用 在进行大气物理特性测试、天气预报相关大气参数的获取以及环境监测等领域中,大气温度是至关重要的一个参数。大气温度及其分布的相关信息的准确获取,对正确评估大气物性及其变化趋、!对流活动、云层状态等一系列构成大气复杂系统的参量,具有及其重要和最基本的意义。目前大气温度探测较成功的系统有瑞利散射激光雷达系统和转动拉曼散射激光雷达系统,理论及已发表的研究成果表明,这两种系统是在理论和实际应用上都各有优势、物理上可实现的系统。 2.1基于瑞利散射的大气温度检测研究 瑞利散射是一种中心波长与入射激光波长相同,谱宽依存大气温度变化的弹性散射,它是由散射体粒径比激光波长小的分子或原子引起的散射现象,主要用于大气温度、大气分子密度等参数的测量。