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播光| 相干测风激光雷达简史

播光| 相干测风激光雷达简史

发布人: 发布日期:2019-01-25 浏览次数:724


大气风场作为气象学和天气学研究领域重要的参数,影响到人们日常生活的方方面面。因大气风场异常造成的航空安全事件屡见报端,对人们的生命和财产安全构成了重大威胁。如2001 年 11 月 12 日,美航 587号航班 A300-600 客机在起飞后不久坠毁于皇后区,全机 260 人罹难。事故发生后经过调查发现,由于和前一次航班飞机的起飞时间间隔过短,该飞机进入其飞行尾流之中,方向舵应付尾波乱流而过度使用,最后整块脱落并导致了客机的失控。


因此,探索大气及其相关领域的科学奥秘,能够为航空气象安全、环境监测、风电场管理等提供基础性和创新性的贡献。


相干激光测风雷达是利用大气运动产生的多普勒效应进行三维风场探测的新型遥感设备,可以实现从地面到对流层高度无盲区的大气参数观测,具有高精度、高分辨率、大探测范围等优点,成为研究的重点。


基本原理

相干测风激光雷达的基本原理是基于激光的多普勒效应。

如图1所示,在激光出射模块,连续波激光器产生中心频率为v0的线偏振光,经分束器后分为出射激光和本振光,出射激光经声光调制器(AOM)调制为脉冲光,并产生vM 的频移,再由放大器进行功率放大,经望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为vd,则回波信号中心频率为v0+vM+vd。在接收机模块,回波信号与本振光两者的拍频信号经平衡探测器转换为频率为vM+vd 的IF电信号,再经采集卡采样和后续电路数据处理分析得到风场信息。使用基于出射激光脉冲的飞行时间法,可以得到不同距离处的风场信息。



图1 相干多普勒激光雷达示意图


激光雷达的发展随着激光器技术的发展而不断成熟,相干激光雷达也经历了从气态到全固态,再到全光纤相干测风激光雷达三个过程,激光器的波长也由10.6μm到1.06μm再到2μm和1.5μm,其中主流波段主要在1.5μm。


气体相干测风激光雷达

在相干激光测风雷达研究的早期, CO2气体激光器的高能量转化效率、稳定的单频率激光输出、高能量脉冲和连续波输出等优良性能,使它成为了雷达系统首选激光源。


第一台基于连续波CO2激光器(10.6μm)的相干多普勒测风激光雷达由美国国家航空航天局(NASA)的Huffaker研制成功。


1970年,为了实现更远的风场探测距离,基于主振荡功率放大器技术的更高功率的脉冲式 CO2激光器开始应用于相干多普勒测风激光雷达。


1980年,为了进一步缩小激光器体积并增加激光器的功率,横向激励气体(Transverse excited atmospheric-pressure, TEA)激光器开始被使用,激光单脉冲能量达到100mJ。


由于 CO2激光器能耗高,体积大,工作环境要求低温等缺点,限制了其发展。


20 世纪 80 年代末,固态激光器技术使得激光器结构变得紧凑,同时保证了激光器性能稳定和高脉冲能量,固体激光器开始大量应用在相干测风激光雷达中。


1.06μm相干测风激光雷达

随着Nd:YAG激光器发展,1985年,斯坦福大学的Kane课题组研发了基于Nd:YAG激光器的1.06μm波长相干多普勒测风激光雷达,该系统实现了600m风场和2.7km的云层探测。


1988年,Kavaya和Henderson领导的课题组研发的1.06μm波长的相干多普勒测风激光雷达系统可实现3.75km的水平风场探测距离。


随后,美国相干技术公司(CTI)、NASA马歇尔太空飞行中心(MSFC)共同合作研发出脉冲能量1J,重复频率10Hz的相干雷达系统,实现了地表到26km高度的风场探测,为发现者号航天飞机发射和着落提供气象保障。


但由于1.06μm在人眼安全方面不及1.5μm和2μm波长,开始逐渐被这两个波长取代。


1.5μm相干测风激光雷达

2000年以后,得益于光纤通信技术的发展,结构更为紧凑,发光效率更高,成本更低的1.5μm波长的相干多普勒测风激光雷达系统成为研究的新热点。


目前,国外的日本三菱公司、法国航空航天中心(ONERA)、英国Halo-Photonics公司等相继开展了理论和实验研究,并进行了1.5μm商业化样机的研制。


日本三菱

日本三菱公司从90年代开始,就在研制基于1.5 μm光纤激光器人眼安全相干激光雷达。


1998年,三菱公司基于Er,Yb:Glass 激光器,经放大器放大后,单脉冲能量2.5mJ,200ns 脉冲宽度,20Hz 脉冲重复频率的脉冲激光输出,使用直径 600mm的望远镜实现超过 800m 的水平探测距离。这是世界上首台基于 1.5μm 人眼安全波长的相干多普勒测风激光雷达。


从2002年起,三菱公司开始全光纤测风激光雷达的研发,并完成了机载实验验证。


2014年,三菱电机公司报道了其全光纤激光雷达在机载实验中的结果。在 12km 飞行高度时,该系统可以实现大于 9km 的水平探测距离,可以用于提前 30s 发现飞机前方的晴空湍流。


法国航空航天中心(ONERA)

2008,法国航空航天中心(ONERA)首次报道了基于1.5μm光纤激光器的相干多普勒测风激光雷达。


2009年,ONERA对第一代相干多普勒测风激光雷达系统进行了升级,使用三级抽运对种子激光进行放大,并使用大模场面积光纤抑制受激布里渊现象,进一步提高了激光器的脉冲能量至120μJ,实现了飞机尾流的探测。


2014年,ONERA通过在大模场面积的光纤中加入应力等方式,进一步提高了光纤的受激布里渊阈值,在单脉冲能量370μJ的情况下,实现了超过10km的风场探测距离。


2015年,ONERA通过使用多个光纤放大器并联,提高光纤激光器的激光脉冲能量,并将该激光器应用于WindCube产品中。在500μJ脉冲能量情况下,实现16km的风场探测距离。


英国Halo-Photonics公司

英国Halo-Photonics公司从1980年代末期就开始研究基于CO2激光器的相干多普勒测风激光雷达系统。


2001年,Halo-Photonics公司研发了基于光纤器件的1.548μm脉冲式相干多普勒测风激光雷达系统,并在2002年使用该系统进行大气风场观测。


2004年,Halo-Photonics公司基于掺Er,Yb激光放大器,研发出了波长为1.562μm,脉冲能量1.15mJ的高功率激光器。2005年,使用该高功率激光器,将其公司的相干多普勒测风激光雷达的探测距离提升到了8km。


目前,Halo-Photonics公司将产品线分为长距离探测和短距离探测的相干多普勒测风激光雷达。可以实现视线风场和三维风场探测。其探测距离最远的产品为Strean LineXR。


国内相干激光雷达发展比较晚,但发展迅速,主要研究单位包括中国科学技术大学、中国电子科技集团公司第二十七研究所、中科院上海光学精密机械研究所、中国海洋大学、西南技术物理研究所等。


2017年,中国科学技术大学夏海云课题组研制成功世界上第一台能同时观测大气退偏振比和大气风场的相干多普勒测风激光雷达。该系统在测风模式下,在100μJ脉冲能量,15kHz重复频率时,可以实现6km的水平探测距离,如图2。



图2 中国科学技术大学相干激光雷达样机及测量结果


2010年,中国电子科技集团第二十七研究所(CETC27)李冬梅报道了一套基于1.5μm的连续波相干多普勒测风激光雷达系统,实现了200m距离内的风速测量。同时,在2013年和2015年,分别报道了全光纤测风激光雷达系统与测风塔和探空气球的对比实验,在800m的探测距离内,取得了良好效果。


2012年,中科院上海光机所刁伟峰等报道了基于全光纤1.539μm的相干多普勒测风激光雷达,并在2014年对系统进行升级,实现了3km的探测距离,垂直方向1.9km的探测距离。


2014年,中国海洋大学吴松华课题组报道了1.55μm的全光纤相干多普勒测风激光雷达系统,该系统被用于风电场的风场观测,经过不断改造和升级后,推出了商用的WindPrint系统。


2017年,西南技术物理所周鼎富课题组报道了全光纤相干多普勒测风激光雷达系统在不同天气类型下的探测性能,证明了晴天、阴天、雾霾天和雨天四种天气类型下该系统都具有良好的性能。


2μm相干激光雷达

2μm波长比1.06μm波长的人眼允许最大曝光功率高4个数量级。出于对人眼安全的考虑,2μm波长的全固态相干多普勒测风激光雷达系统比1.06μm系统应用领域更广泛。


NASA和美国空军将高脉冲能量(10mJ),100Hz脉冲重复频率的2μm相干多普勒测风激光雷达系统用在机载测风应用上,用于探测晴空湍流探测,以及飞机周边的风场。


2012年,NASA的Kavaya等报道了基于2μm相干多普勒测风激光雷达风速测量结果。该系统的脉冲能量为250mJ,脉冲重频10Hz,脉宽180ns。


目前也有小部分2μm的系统被集成在其他类型的雷达系统中。


2010 年,哈尔滨工业大学王春晖课题组建立了 2μm 相干测风激光雷达系统,对理论模型、2μm 处的光学设计及信号流程算法进行了验证,得到了 16m 和 96m 处探测目标外差信号。


2015 年,北京理工大学张寅超课题组建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型,并对天基相干激光雷达的关键技术进行分析 。


相干激光雷达发展趋势

相干激光雷达呈现以下的发展趋势:

(1)由于风场的双向测量要比单方向测量具更明显的优势,相干激光雷达也从以单一角度锥扫描发展到多角度扫描模式,实现了三维风场的探测。


(2)随着相干探测技术的提高,相干激光雷达探测风速灵敏度以及探测距离增加。但是由于气溶胶主要分布在5km以下,随着探测距离增加气溶胶含量急剧下降,从而增加了回波信号的探测难度,因此,相干激光雷达测风垂直探测距离往往限制在5km的高度。目前通过光纤放大器并联、抽运放大等方式可提高激光器能量从而提高测量距离。


(3)人眼安全方面得到满足,1.55 μm附近MPE达到最大值,比2.1 μm高出约1个数量级,比1.06 μm高出约6个数量级。同时1.5μm波段的光纤和光器件生产工艺成熟,大气窗口透过率高等优点也使得目前相干激光雷达研究的主流波段为1.55 μm。


具体内容发表在《激光与光电子学进展》第56卷第2期,且被选为当期的封面文章,文章内容点击查看:

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第2期封面图: