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。
第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年9月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Sep. 2008 收稿日期：2008-07-04 作者简介：程永强（1981-），男，陕西渭南人，助理研究员，主要从事激光雷达及中高层大气方面研究。Email:chengyq@https://www.doczj.com/doc/f013147247.html, 钠激光雷达在临近空间探测方面的最新进展 程永强，胡 雄，徐 丽，闫召爱，郭商勇 （中国科学院空间科学与应用研究中心，北京 100190） 摘要：介绍了Na 激光雷达的研究背景，详细阐述了Na 激光雷达的国内外发展动态和Na 层测风测温激光雷达的基本探测原理，最后简要描述了发展Na 层测风测温激光雷达的重要意义。 关键词：激光雷达； Na 层测风测温； 临近空间 中图分类号：P4 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(激光探测)-0028-04 Advances of Na Lidar in near space detection CHENG Yong-qiang, HU Xiong ，XU Li, YAN Zhao-ai, GUO Shang-yong (Center for Space Science and Applied Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China) Abstract ：The research background of Na lidar is introduced, then the latest advances and the detecting theory of Na wind/temperature lidar is described in detail, at last the important significance of developing Na wind / temperature lidar is explained. Key words ：Lidar; Na wind / temperature lidar; Near Space 0 引 言 10 km 以上的地球大气称之为“中高层大气”[1] ， 它是日地系统的一个重要中间环节，包括对流层的上部、平流层、中间层和热层。目前国际上临近空间（20～100 km ）飞行器技术快速发展，临近空间因其飞行环境的特殊性和广阔的应用前景而受到高度关注。因此，中高层大气探测与研究在大气科学和空间物理中具有举足轻重的地位，在航天等高新科技领域也有重要的意义，也是优化人类的生存环境、保障人类社会可持续发展的需求。 光在大气中传播时，会被大气分子和气溶胶散射或吸收，这种大气分子对光的散射和吸收是使用激光对大气组成和特性进行探测的物理基础。目前，激光雷达(Lidar)是对中高层大气探测与研究的主要手段 之一[2]。根据激光束于大气物质相互作用机制，可设计不同的激光雷达[3]，包括气溶胶激光雷达、拉曼激光雷达、共振荧光激光雷达、瑞利散射激光雷达等。 共振荧光激光雷达利用共振荧光过程，将激发光的频率调至散射物质的吸收线，通过散射回波信号来探测大气特性。由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象，称之为多普勒效应。利用这种多普勒效应进行测风的激光雷达称为测风激光雷达。多普勒频移的大小和方向由分子运动速度方向与激光束方向的夹角决定。因此，通过测量散射光的多普勒谱线频移量就可获得大气风速；通过测量散射光的多普勒谱线展宽就可获得大气温度。Na 层测风测温激光雷达[4]利用中层顶区域内的钠原子作为示踪物，由接收到的共振荧光散射回波光子数反演大气温度、风场及Na 原子数密度廓线。其仅有20多
浅谈激光雷达技术在林业上的应用 摘要：近年来激光雷达在很多领悟非常受欢迎，更值得一提的是这种技术非常 受森林工作者的欢迎，在森林参数测量方面发挥着非常重要的作用。激光雷达的 成像机理和一般的光学遥感大不相同，它对森林地形以及森林植被分布形式的勘 测能力极强。在对森林高度进行探测时这种优势呗发挥的淋漓尽致，更重要的是 激光雷达具有的这种优势是很多遥感设备无法比拟的。 关键字：林业应用；激光雷达技术；遥感技术 引言 自然界的所有结构中没有比森林更大，更复杂的结构了，森林拥有着自然界 中的很多资源，这些自然资源包括碳水化合物和森林植被所需的所有营养。不管 人类发展到什么程度森林结构都不可能会被其他结构所替代，因为只有森林结构 完整，才能够保证自然界的生态平衡。在通常情况下，要想更好的保证生态平衡，就必须要对森林的很多参数就行测量和分析，但是运用普通的参数测量方法只能 够获得一些简单的数据，这些数据在对大片森林的研究上并不能发挥太大作用。 因此，要想获得大片森林的区域数据，就必须运用远程传感器来实现。另外，激 光技术可以说是一种新的探测技术，它的能力非常强。激光技术不仅可以帮助科 研人员获得所需研究物体或者结构的高度信息，而且可以给出精准的数据信息。 正因如此，在军事研究领悟激光技术也不可或缺。 一、激光雷达技术的测量工具和系统介绍 在数据研究领领域有一种最基本的测量工具，这种测量工具就是激光测距仪。这种仪器在使用时必须要使用激光，而且它的工作频率比家中微波炉的工作频率 高出很多倍。 平常的雷达系统，它的高度都不会超过70英尺，另外，对每一个雷达系统而言，它们都具有一个激光系统，并且这个激光系统是连续的。激光在使用的过程中，它的细节其实是时间决定的，每一刻都代表一个不同的时间。在森林参数测 量过程中运用激光技术可以不仅可以得到树木花草的结构，而且激光还可以凭借 其信号远远大于木材信号的优势来得到整个森林的结构，这也给森林研究人员在 森林结构研究方面带来了极大的便利。 一个大的激光雷达系统是由很多小的激光探测系统组成的，而每一个激光探 测系统就是一个小的激光雷达系统。另外，激光的大小并不是固定不变得，它会 随着飞行高度的变化而不断变化，但是一般情况下激光的大小最大不会超过0.9m。有的时候激光之所以能感觉到树叶，是因为最小的激光非常小，也正因为这个特点，激光雷达系统必须要增加方向上的频率。 二、激光雷达技术在林业上的应用 林业研究领域的很多数据都是靠激光测量出来的，这些数据小到森林中一棵 树的枝干结构信息，大到一个森林的整体结构信息。由此可见激光技术对林业研 究的重要性。另外，雷达激光系统不仅受到国内多数研究领域的欢迎，而且雷达 激光系统在国外也广受商业企业的欢迎。 虽然雷达可以再特定的时间内记录信息，但是对于信号边界的信息可能没有 办法完整记录。要想解决这个问题就必须要运用技术来穿越激光的边界，虽然在 穿越激光边界的过程中会遇到各种各样的问题，但是通过这种方法却可以有效的 获得信号边界信息。
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。
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
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就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与发展现状,以及应用现状与发展前景。 引言 激光雷达就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、方位与高度)、运动状态(速度、姿态)等信息,实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪与识别。 激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形与数据处理方式,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与成像激光雷达等:根据安装平台划分,可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达与航天激光雷达;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,就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与扫描体制,其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描与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,尤其就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,就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
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。
分析raleigh 测温与测风原理的区别即难点 1 测风激光雷达的基本思想 1.1 光的多普勒效应 光的传播不依赖介质，多普勒效应只与相对运动有关。如图1，光源相对于 速度为V 的S 惯性系静止，在S 中一列起始'1t 截止' 2t ，光波发射的波数为N 。在 静止的D 惯性系中观测：波列起始1t ，截止2t 时刻观测者接收波列起始和截止时分别为： 111r t c τ=+ （1.1.1） 22221211 (()cos )r t t r t t c c τυθ=+=++- （1.1.2） 由时间相对性： ' ' 21t t -= （1.1.3） 图1 光的多普勒频移 观测者接受波列的频率为： 2121()(1cos )N N t t c υττυθ===--+ （1.1.4） 其中0'' 21N t t υ=- ， 所以0υ= （1.1.5） cos θ为光传播方向与相对运动方向夹角的余弦值，远离时为正值。 考虑运动目标散射或反射光的多普勒频移： 第一次多普勒频移：10υ= ， 第二次多普勒频移：21υ= 为了简化上式，将1υ其泰勒展开： 2423 1021cos cos cos [1()][1()()]2v v v v v O O c c c c c αααυυ=-+*-+- （1.1.6）
2100cos cos cos (1)(1)(1)[12cos cos ]22 v v v v c c c c θθααθαθ υυυυ+-=- =--≈- （1.1.7） 2102cos cos 22 v c αθαθ υυυυ+-?=-=- （1.1.8） 考虑雷达系统中，elevation αθ== c o s r υυα= 02 r v c υυ?=- 即径向速度2 r v λ υ=-? （1.1.9） 1.2 测风激光雷达工作简介 多普勒测风激光雷达的工作原理如图2所示：激光束以一定方位角和天顶角指向大气的被探测区域。在某一时刻，激光脉冲只是照明大气中一个近似圆柱体的部分(忽略了激光脉冲包络内由于光束发散引起的横截面积变化)。放照明区域，大气分子的热运动或者气溶胶粒子的布朗运动使得大气后向散射信号多普勒展宽，而粒子整体平均运动速度导致了大气后向散射信号的多普勒频移。一小部分大气后向散射信号被望远镜接收，由雷达的接收机记录每一时刻(对应于每一高度)的大气回波信号．通过计算不同点上的多普勒频移，最后反演该径向上不同高度的风速大小。如果进行平面或立体扫描，则可以反演大气风场的水平风速、风向信息。 图2 多普勒频移测风激光雷达工作示意图
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。
（1）基于激光雷达的移动机器人位姿估计方法综述 位姿估计方法是移动机器人研究的一个核心问题，精确地位姿估计对于机器人的定位、自动地图生成、路径规划等具有重要意义。传统的位姿估计方法在不同程度上都有位移误差较大、成本较高的缺点。而激光雷达刚好解决了这个问题。目前常用的激光雷达为2维脉冲式激光雷达，这种方法有两个重要的步骤：距离数据的表示和距离数据的对应。 数据的表示。利用一对脉冲近红外发射器和接收器，通过测量发射到接受的时间差，即可计算出目标的距离，从而得到关于环境的水平剖面图。对于静态环境的表示方法目前比较好的方法是Gonzalez提出的混合式表达方法，这种方法综合了基于特征的表示方法和占据网格的表示方法而提出的一种同时具有两者各自优点的方法。 距离数据的对应。目前已有的对应方法有特征—特征、点—特征和点—点等。以下主要介绍三类。特征—特征对应方法首先从参考扫描和当前扫描中分别抽取出一组特征，然后是用特征的属性和特征间相对关系对两组特征进行匹配，得到一组特征对，最后使用迭代的方法求解机器人的位姿，使特征对之间的误差最小。点—特征与特征—特征方法的不同主要在于它直接使用当前的原始数据与参考扫描的特征进行匹配，匹配的依据是点到线段的距离。由于这种方法在匹配中直接使用了原始的距离数据，避免了中间的特征抽取过程，因此这种方法的精度略高于特征—特征方法。点对点的方法是利用一个合适的规则直接匹配2个扫描中的数据，从而得到相对位姿的关系，目前这个常用的规则是最近点规则。 （2）激光雷达技术在城市三维建筑模型中的应用 “数字城市”是数字地球技术系统的重要组成部分，而表达城市主要物体的三维模型包括三维地形，三维建筑模型、三维管线模型。这些三维建筑模型是数字城市重要的基础信息之一。 而激光雷达技术可以快速完成三维空间数据采集，它的优点使它有很广阔的应用前景。机载雷达系统的组成包括：激光扫描器、高精度惯性导航仪、应用查分技术的全球定位系统、高分辨率数码相机。通过这四种技术的集成可以快速的完成地面三维空间地理信息的采集，经过处理便可得到具有坐标信息的影像数据。 利用激光进行三维建筑建模的技术。首先，进行数据预处理。就是结合IMUU记录的姿势参数、机载GPS数据、地面基站GPS观察数据、GPS偏心分量、扫描仪和数码相机各自的偏心分量，进行GPS/IMU联合解算，得到扫描仪及相机曝光坐标下的轨迹文件，进而得到外方为元素。其次，使用LIDAR数据商业处理软件将地面数据与非地面数据分离，生成DEM，在利用纯地表数据对影像外方位元素通过寻找同名像点的方式进行校正快速生成DOM。DEM 和DOM叠加在一起就形成了三维地形模型。最后，为了表达真实的城市面貌对三维建筑模型进行纹理贴图。纹理粘贴的方法常见的有手动粘贴和纹理映射两种。常用的纹理获取方法也有两种，第一种方法是对建筑顶部纹理采用航空影像，侧面纹理信息为手持相机实地拍摄。第二种方法为倾斜航空摄影。得到纹理后利用专业软件进行纹理面的选择、匀光处理等将反应建筑现状的影像信息映射在对应的模型上就达到了反映城市现状的目的。 （3）激光雷达技术的发展及其在大气环境监测中的应用 激光雷达由于探测波长短、波束定向性强，能量密度高，因此具有高空间分辨率、高的
激光雷达技术的发展和应用 摘要:根据激光雷达的测距原理及中心投影共线条件方程式,建立了激光雷达测量系统的几何模型及其精度评价模型，对激光雷达在军事、气象、地质、环境与测绘等领域的应用以及激光雷达未来的发展趋势作了详细介绍。 关键词：激光雷达；几何模型；发展；应用。 引言：２０世纪６０年代初出现了以测距为主要功能的激光雷达（ＬｉＤＡＲ），它以高角分辨率、高速度分辨率、高距离分辨率、强抗干扰能力、良好的隐蔽性，以及出色的全天候工作能力在很多领域尤其是军事领域中得到了广泛的应用。ＬｉＤＡＲ技术（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＲａｎｇｉｎｇ）也称机载激光雷达，它是一种安装在飞机上的机载激光系统，通过量测地面的三维坐标，生成ＬｉＤＡＲ数据影像，经过相关软件处理后，可以生成地面的ＤＥＭ模型、等值线图及ＤＯＭ正射影像图。ＬｉＤＡＲ系统通过扫描装置，沿航线采集地面点三维数据；系统可自动调节航带宽度，使其与航摄宽度精确匹配，在不同的实地条件下，平面精度可达０.１Ｉｌｌ，采样间隔为２～１２ｍ。ＬｉＤＡＲ是集激光技术、光学技术和微弱信号技术于一体而发展起来的一种现代化光学遥感手段，它使用激光作为探测波段，波长较短而且是单色相干光，凶而呈现出极高的分辨本领和抗干扰能力，为其在各方面的应用奠定了重要基础。ＬｉＤＡＲ探测技术不仅可以获得目标地物表面的反射能量的大小，同时还可获取目标反射波谱的幅度、频率和相位等信息，用于测速和识别移动目标，在环境、生态、通信、航天等方面有着广泛的应用。本文重点介绍ＬｉＤＡＲ的技术现状和应用领域。 正文： 1.激光雷达的发展过程 第１代激光雷达于１９６７年由美国国际电话和电报公司研制，用于开发航天飞行器交会对接用的激光雷达，１９７８年ＮＡＳＡ／ＭＦＳＣ研制出了用于同一目的的Ｃ０２干涉激光雷达－７。１９７６年用于研究地球科学的星载激光雷达一经问世就得到重视，ＮＡＳＡ和ＮＯＡＡ委托美国无线电公司和帕新一爱而莫公司开发用于测量全球对流层风场的Ｃ０２相干激光雷达Ｉ９］。１９８８年ＮＡＳＡ研制出激光大气风探测器，空间分辨率达到１０００ｍ左右，利用不同高度背向散射测量水平风场，２0世纪９０年代，由于全固体激光技术和二极管泵浦全固态技术的发展，较好地解决了制约星载激光雷达的寿命问题，开辟了高精度绘图、远程测距、环境监测、测云、测地被、测目标和非相干测风等应用邻域，发展了基于ＤＰＳＳ技术的差分吸收激光雷达、拉曼散射激光雷达、非相干多普勒激光雷达和生物激光雷达等，显示出巨大的经济效益和军事价值。 2.激光雷达的主要应用 由于激光雷达特有的优势，在国民经济建设中如农林业、军事侦察、水利电力