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多普勒测风激光雷达研究进展

激光雷达技术的应用现状及应用前景

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

6、多普勒天气雷达原理与应用

第六部分多普勒天气雷达原理与应用（周长青）我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品第一章我国新一代天气雷达原理一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）。二、了解电磁波的散射、衰减、折射散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。三、了解雷达气象方程在瑞利散射条件下，雷达气象方程为：其中Pr表示雷达接收功率，Z为雷达反射率，r为目标物距雷达的距离。Pt表示雷达发射功率，h为雷达照射深度，G为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，K表示与复折射指数有关的系数，C为常数，之决定于雷达参数和降水相态。四、了解距离折叠最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c为光速，PRF为脉冲重复频率。距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax）以外时，会发生距离折叠。换句话说，当目标物位于Rmax之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们称之为‘距离折叠’。五、理解雷达探测原理。反射率因子Z值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。反射率因子（回波强度）：即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。意义：一般Z值与雨强I有以下关系：层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模

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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

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。

激光雷达与激光成像雷达

激光雷达与激光成像雷达一、激光雷达与激光成像雷达一、激光雷达与激光成像雷达人通过感觉器官感知，认识外部世界的一切。用耳朵听音乐、话音、机器的轰隆声、钟声、铃声等一切通过声音传递的信息；用手感觉温度、物体的硬软以及物质的存在；用眼睛观察外部世界的形状、颜色、运动状态、速度、位置、识别物体的种类等等。人的眼睛之所以可以看见外部世界，是因为太阳光谱中的可见光照射在物体上反射的结果。那么除了“可见光谱”之外还存在别的“不可见的光谱”吗？事实上，广义的光谱按频段的不同，有大家所熟悉的电磁波、远红外、近红外、可见光、紫外光谱，而可见光谱区中，红色的光波长最长，紫色的波长最短。而且人们已经发现不同的物质辐射不同的谱线，在特定的条件下还可以只辐射某一单一波长的谱线，当其人们发现不可见光谱区中的单一的光谱谱线具有可贵的特性的时候，就力图去产生、开发、利用这种单一光谱谱线，由此产生了激光及用于不同场合的激光系统。视觉引发人们的形象思维，眼睛从外界事物所获取的信息量大，直接而快速，是其他感觉器官所不能代替的，这也就是古人所说的“眼见为实”的深切内涵。正是因为这个道理，人们不愿受限于“可见光”的可见，而想去探求自然光条件下所看不见的东西，如想在漆黑的夜晚，去观察外部世界，就开发出了“夜视仪”。被动“红外热成像仪”也不是依赖于可见光的反射特性去观察变幻莫测的外部世界的，而是依赖于物体本身的热辐射，无论白天或黑夜都可以用以观察人类世界的一切，而且已经是超视距的。目前最新的热成像仪，1ms内热敏成像。红外成像高速测温用来检测来复枪，其射出的弹头在弹道上飞行速度为840m/s，弹头距枪口0.914 4m处的热成像还能分辨出弹头上不同部位摩擦热的温差。遥感仪则可以依据物体本身的辐射谱线，包括电磁波段与红外光区，远距离成像，把肉眼原本看不见的自然变化，转化为可见，以照片的形式或屏幕显示的图像，甚至动态图像的形式展现出来，这就是当今人们感兴趣的可视化技术。人们力图从各个领域做这方面的研究和开发应用。通过眼睛人们能够确定方向——定位，作为控制手的动作的依据，当然这是受限于“视距”之内的，通过望远镜可以延伸视距；但是“定位”的精度达不到人们通用目的需要，所谓“差之毫厘，失之千里”。雷达满足了远距离定位和精度的要求，雷达源于英文Radio Detection And Ranging的缩写RADAR，于1935年问世。当其“激光”这种波长处于红外光谱波段的“激光光源”被研究出来之后，人们自然想到利用微米波段（红外光谱波段）的光波作为信息的载体去探测、获取其他手段难于探测、观测到的目标的信息。激光雷达研制成功后，相继激光成像雷达应运而生。激光雷达的英文名字“LADAR”是Laser Detection And Ranging的缩写。激光雷达的研究是从目标探测和测距入手的，早期（1962～1976年）的研究系统被称为光雷达（Optical RADAR），并命名为LIDAR（Light Detection And Ranging）。可以说军事应用对测量系统精确度的要求日

基于斐索干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达

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

多普勒天气雷达原理与业务应用思考题

1 多普勒天气雷达主要由几个部分构成？每个部分的主要功能是什么？答：主要由雷达数据采集子系统（RDA ），雷达产品生成子系统（RPG ），主用户终端子系统（PUP ）三部分构成。RDA 的主要功能是：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据。RPG 的主要功能是：由宽带通讯线路从RDA 接收数字化的基本数据，对其进行处理和生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户，是控制整个雷达系统的指令中心。PUP 的主要功能是：获取、存储和显示产品，预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在监视器上。 2 多普勒天气雷达的应用领域主要有哪些？答：一、对龙卷、冰雹、雷雨大风、暴洪等多种强对流天气进行监测和预警；二、利用单部或多部雷达实现对某个区域或者全国的降水监测；三、进行较大范围的降水定量估测；四、获取降水和降水云体的风场信息，得到垂直风廓线；五、改善高分辨率数值预报模式的初值场。 3 我国新一代天气雷达主要采用的体扫模式有哪些？答：主要有以下三个体扫模式：VCP11——规定5分钟内对14个具体仰角的扫描，主要对强对流天气进行监测；VCP21——规定6分钟内对9个具体仰角的扫描，主要对降水天气进行监测；VCP31——规定10分钟内对5个具体仰角的扫描（使用长脉冲），主要对无降水的天气进行监测。 4 天气雷达有哪些固有的局限性？答：一、波束中心的高度随距离的增加而增加；二、波束宽度随距离的增加而展宽；三、静锥区的存在。 5 给出雷达气象方程的表达式，并解释其中各项的意义。答： P t 为雷达发射功率(峰值功率)； G 为天线增益；h 为脉冲长度；、：天线在水平方向和垂直方向的波束宽度； r 为降水目标到雷达的距离；：波长； m ：复折射指数； Z 雷达反射率因子。 6 给出反射率因子在瑞利散射条件下的理论表达式，并说明其意义。答：∑= 单位体积6i D z ，反射率因子指在单位体积内所有粒子的直径的六次方的总和，与波长无关。 7 给出后向散射截面的定义式及其物理意义。答：定义：设有一个理想的散射体，其截面面积为?，它能全部接收射到其上的电磁波能量，并全部均匀的向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，Z R C Z m m r h G p p t r ?=?+-=2 2222223212ln 1024λθ?πθ?λi S s R S 24πσ=

激光主动成像制导雷达的研究方向

激光主动成像制导雷达的研究方向刘立宝1 蔡喜平2 乔立杰2 杨　洋2 (哈尔滨工业大学威海分校理学系1　威海　264209) (哈尔滨工业大学应用物理系2　哈尔滨　150001) 文摘:文中介绍了国外制导用激光成像雷达近年来的发展情况,总结提出了激光主动成像制导雷达的研究方向。CO2激光成像雷达系统效率高,大气传输性能好,信息处理技术成熟,易于实现高灵敏度外差探测和三维成像,曾经是主要的研究对象;固体激光雷达系统具有系统质量轻、价格低,探测器不需要制冷的独特优点正成为现在研究热点;二极管激光成像雷达体积小、造价低、寿命长、可靠性高、功耗低,可采用室温探测,有着很大的发展前途。关键词: 激光雷达成像制导 R esearch of active im aging guiding lidar system Liu Libao1 Cai Xiping2 Qiao Lijie2 Yang Yang2 (Department of Science,Weihai Campus,Harbin Institute of Technology1,　Weihai,　China,　264209) (Department of Applied Physics,Harbin Institute of Technology2,　Harbin,　China,　150001) Abstract:In this paper,the latest development of imaging guiding lidar overseas is introduced, and the future of that is predicted.The CO2lidar system has the advantages of higher efficiency,bet2 ter transmission capability in air,more developed information processing technology,easy to actualize the coherent detection with high sensitivity,and3D imaging,so it has been the main object for study2 ing.For the special excellence of light weight,lower price,and detector without cooling,the solid imaging lidar system is now being a hot spot of research.With well outlook,the diode lidar system has got more characteristics than the systems before. K eyw ords: Lidar Imaging Guidance 1999206224收稿 1999212220修回作者简介:刘立宝　男　31岁　讲师　从事光学成像研究及教学工作。第29卷第2期红外与激光工程 2000年4月Vol.29No.2 Infrared and Laser Engineering A pr.2000

直接探测多普勒测风激光雷达

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。

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

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

激光雷达在军事中的应用

激光雷达在军事中的应用摘要：本文简要介绍激光雷达的特点、激光雷达探测的基本物理原理及其在军事领域的应用现状．Laser rader’s character was briefly introduced in this essay.Besides,its elementary physical fundamental was also introduced as well al its use from military field. 关键词：激光雷达；探测；军事应用 1引言激光雷达是现代激光技术与传统雷达技术相结合的产物，由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式即为直接探测和外差探测。它像传统的微波雷达一样，由雷达向目标发射波束，然后接收目标反射回来的信号，并将其与发射信号对比，获得目标的距离、速度以及姿态等参数．但是它又不同于传统的微波雷达，它发射的不是微波束，而是激光束，使激光雷达具有不同于普通微波雷达的特点．根据激光器的不同，激光雷达可工作在红外光谱、可见光谱和紫外光谱的波段上．相对于工作在米波至毫米波波段的微波雷达而言，激光雷达的工作波长短，是微波雷达的万分之一到千分之一，根据光学仪器的分辨率与波长成反比的原理，利用激光雷达可以获得极高的角分辨率和距离分辨率，通常角分辨率不低于0.1mrad ，距离分辨率可达0.1m , 利用多普勒效应可以获得10m / s 以内的速度分辨率．这些指标是一般微波雷达难以达到的，因此激光雷达可获得比微波雷达清晰得多的目标图像。激光束的方向性好、能量集中，在20km 外，其光束也只有茶杯口大小，因而敌方难以截获，而且激光束的抗电磁干扰能力强，难以受到敌方有源干扰的影响．由于各种地物回波影响，因而在低空存在微波雷达无法探测的盲区．而对于激光雷达，只有被激光照射的目标才能产生反射，不存在低空地物回波的影响，所以激光雷达的低空探测性能好．激光雷达体积小、重量轻，有的整套激光雷达系统的重量仅几十千克．例如为了适应海军陆战队的需要，美国桑迪亚国家实验室和伯恩斯公司都提出了手持激光雷达的设计方案．相对于重达数吨、乃至数十吨的微波雷达而言，激光雷达的机动性能显然要好得多．任何事物都是一分为二的，激光雷达也有自身的缺陷．激光光束窄、方向性好，虽然表现出能量集中的优点，但不宜用作战场监视雷达搜索大空域．而且激光的传输受环境影响大，尤其是在雨、雪、雾的天气，激光在传输过程中的衰减更大．当然，激光在大气层外传输时不易衰减，有其得天独厚的优势．经过几十年的努力，科学家们趋利避害，已研制出多种类型的军用激光雷达．激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量。如对导弹对卫星的精密定轨等。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火力控制系统对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光雷达可以对大气进行监测，遥测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。用激激光器作为辐射源的雷达。 2. 用干战场侦察的激光雷达众所周知，普通的成像技术（如电视摄像、航空摄影及红外成像等）获得的场景图像都是反映被摄区域辐射强度几何分布的图像，而激光雷达可以通过采集方位角一俯冲角一距离一速度一强度等三维数据，再将这些数据以图像的形式显示出来，从而可产生极高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像等，因而它提供了普通成像技术所不能提供的信息．例如美国桑迪亚国家实验库研制的一种激光雷达，激光器功率为120MW ，显示屏幕的像素为64

多普勒激光雷达及其单纵模全固态激光器_陈卫标

第３７卷第１期红外与激光工程２００８年２月Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｅｂ．２００８收稿日期：２００７－０４－２５；修订日期：２００７－０６－１０基金项目：国家８６３计划资助项目（２００６ＡＡ１２Ｚ１２６）作者简介：陈卫标（１９６９－），男，上海人，研究员，博士生导师，博士，主要从事激光、光电子、激光雷达及其在海洋、大气、空间的应用等研究。Ｅｍａｉｌ：ｗｂｃｈｅｎ＠ｍａｉｌ．ｓｈｃｎｃ．ａｃ．ｃｎ多普勒激光雷达及其单纵模全固态激光器陈卫标，周军，刘继桥，朱小磊（中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００）摘要：设计一套测量大气风场的多普勒激光雷达系统，以种子注入的单频、高重频、脉冲紫外全固态激光器为发射光源，采用两种直接探测技术获取高低空大气风场。基于费索干涉仪（Ｆｉｚｅａｕ）的条纹图像技术获取边界层和低对流层大气风场，基于双法布里珀罗干涉仪（ＤＦＰ）的双边缘检测技术获取高对流层和低平流层风场。研制的单频全固态激光器输出１００Ｈｚ、３０ｍＪ的单纵模脉冲激光，输出线宽达到傅里叶转换极限。报道了测量原理和数值模拟结果、实验样机和系统技术参数。系统将用于移动式高低空大气风场测量。关键词：直接探测多普勒激光雷达；条纹图像；双边缘检测；种子注入中图分类号：ＴＮ９５８．９８文献标识码：Ａ文章编号：１００７－２２７６（２００８）０１－００５７－０４Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｎｄｉｔ′ｓａｌｌｓｏｌｉｄ!ｓｔａｔｅｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｌａｓｅｒＣＨＥＮＷｅｉ!ｂｉａｏ，ＺＨＯＵＪｕｎ，ＬＩＵＪｉ!ｑｉａｏ，ＺＨＵＸｉａｏ!ｌｅｉ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒｗｉｔｈａｎｉｎｊｅｃｔｉｏｎ!ｓｅｅｄｉｎｇ，ｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅ，ｐｕｌｓｅｄｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｌａｓｅｒａｎｄｔｗｏｄｉｒｅｃｔ!ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｗｉｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｗｉｎｄｏｆｌｏｗｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｆｒｉｎｇｅ!ｉｍａｇｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｂａｓｅｄｏｎａＦｉｚｅａｕｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ａｎｄｗｉｎｄｏｆｈｉｇｈｅｒｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅａｎｄｌｏｗｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｅｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｄｏｕｂｌｅ!ｅｄｇｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｂａｓｅｄｏｎｄｏｕｂｌｅＦＰｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｓ．Ｌａｓｅｒｏｕｔｐｕｔｓ３０ｍＪａｔ１００ＨｚｗｉｔｈａｌｉｎｅｗｉｄｔｈｏｆＦｏｕｒｉｅｒ!ｔｒａｎｓｆｅｒ!ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｐｒｏｔｏｔｙｐｅａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｂｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｗｉｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈａｎｄｌｏｗａｌｔｉｔｕｄｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｉｒｅｃｔ!ｄｅｔｅｃｔｉｏｎＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒ；Ｆｒｉｎｇｅ!ｉｍａｇｅ；Ｄｏｕｂｌｅｅｄｇｅ!ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ!ｓｅｅｄｉｎｇ０引言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［１］。多普勒激光雷达主要包括相干探测和直接探测技术。虽然相干探测激光雷达灵敏度和测量精度较高，但是相干探测只能利用大气中的气溶胶散射信号，因此测量范围和能力有限。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］。其最主要的两种多普勒频移测量技术是边缘检测［３－５］和条纹图像［６］。边缘检测常采用高分辨率的法－珀（ＦＰ）干涉仪［３－５］或者分子、原子［７］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，常用ＦＰ干涉仪，Ｍ!Ｚ干涉仪［８］和Ｆｉｚｅａｕ干涉仪［９］等。ＭｃＧｉｌｌ等详细分析、比较了直接探测的两种测量技术，认为它们在风速测量精度上十分接近［１０］。文中根据直接探测多普勒激光雷达的发展趋势和技术特点，综合利用上述两种技术，分别获取高低空大气风场信息。

多普勒雷达原理

汽笛声变调的启示--多普勒雷达原理 1842年一天，奥地利数学家多普勒路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车由远而近时汽笛声变响，音调变尖（注：应为“汽笛声的音频频率变高”）；而火车由近而远时汽笛声变弱，音调变低（应为“汽笛声的音频频率降低了”）。他对这种现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的缘故，称为频移现象。因为这是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验进行验证。几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，验证了该效应。为了理解这一现象，需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播过程中表现出的是声波波长缩短，好像波被“压缩”了。因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被“拉伸”了。因此，汽笛声听起来就显得低沉。用科学语言来说，就是在一个物体发出一个信号时，当这个物体和接收者之间有相对运动时，虽然物体发出的信号频率固定不变，但接收者所接收到的信号频率相对于物体发出的信号频率出现了差异。多普勒效应也可以用波在介质中传播的衰减理论解释，波在介质中传播，会出现频散现象，随距离增加,高频向低频移动。多普勒效应不仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。多普勒效应被发现以后，直到1930年左右，才开始应用于电磁波领域中。常见的一种应用是医生检查就诊人用的“彩超”，就是利用了声波的多普勒效应。简单地说，“彩超”就是高清晰度的黑白Ｂ超再加上彩色多普勒。超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号，向人体心血管器官发射，当超声波束遇到运动的脏器和血管时，便产生多普勒效应，反射信号为换能器所接受，根据反射波与发射波的频率差可以求出血流速度，根据反射波的频率是增大还是减小判定血流方向。 20世纪40年代中期，也就是多普勒发现这种现象之后大约100年，人们才将多普勒效应应用于雷达上。多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等的雷达。当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差（称为多普勒频率），根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备以及科学研究、业务应用装置。多普勒天气雷达，是以多普勒效应为基础，当大气中云雨等目标物相对于雷达发射信号波有运动时，通过测定接收到的回波信号与发射信号之间的频率差异就能够解译出所需的信息。它与过去常规天气雷达仅仅接收云雨目标物对雷达发射电磁波的反射回波进了一大步。这种多普勒天气雷达的工作波长一般为5～10厘米，除了能起到常规天气雷达通过回波测定云雨目标物空间位置、强弱分布、垂直结构等作用，它的重大改进在于利用多普勒效应可以测定降水粒子的运

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