激 与光电子学进展 ５２，１０１２０１（２０１５） Ｌａｓｅｒ＆０ｐｔ０ｅｌｅｃｔｒ０ｎｉｃｓ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ￣２０１５｛中国激光》杂志社 天基相干测风激光雷达技术分析 朱振宇 高 昆 韩 璐 倪国强 高春青 北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京１０００８１ 摘要大气风场的测量对、天气预报、航空航天等都有重要意义，目前我国缺乏有效的大尺度风场的综合探 测能力。激光雷达（ＬｉＤＡＲ）是迄今为止唯一能够直接获得三维风场廓线的测量工具，提出的天基相干多普勒激光雷 达利用光外差探测技术获得激光多普勒频移信息，求取被测对象的径向速度分量，较之传统的非相干激光测风雷达， 具有时一空分辨力高、灵敏度高的优点，特别是在体积、重量、功耗上拥有突出优势。阐述了天基相干激光测风雷达 的原理与方法，分析了其中的关键技术，并对未来激光测风雷达的天基实现可行性和应用前景进行了展望。 关键词测量；激光雷达；相干测量；风场测量；卫星有效载荷 中图分类号ＴＮ９５８．９８ 文献标识码Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／Ｉ ＯＰ５２．】Ｏ】２０１ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｐａｃｅ。＿Ｂａｓｅｄ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｗｉｎｄ ＬｉＤＡＲ Ｚｈｕ Ｚｈｅｎｙｕ Ｇａｏ Ｋｕｎ Ｈａｎ Ｌｕ Ｎｉ Ｇｕｏｑｉａｎｇ Ｇａｏ Ｃｈｕｎｑｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓａｆｅｔｙ１ ｗｅａｔｈｅｒ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ， ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ ｉｓ ｌａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ．Ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ（ＬｉＤＡＲ）ｉｓ ｔｈｅ ｓｏｌｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｔｏ ａｃｃｅｓｓ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｆｉｌｅｒ ｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｗｉｎｄ ＬｉＤＡＲ ａｃｃｅｓｓｅｓ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ｉｔｓ ｌｉｎｅ—ｏｆ—ｓｉｇｈｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＬｉＤＡＲ，ｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｓ ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｉｔｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｄｉｎｇ ｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｗｉｎｄ ＬｉＤＡＲ ａｒｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｌａｓｅｒ ｌｉｄａｒ；ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｗｉｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｐａｙｌｏａｄ ０ＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １２０．０２８０；１２０．１８８０；１２０．４８２０ １ 前 言 在现代高技术战争中，获得目标区域大范围内、大尺度的气象条件至关重要。其中高空间分辨力和高 时间分辨力的测风对大气建模和预测各种大气现象尤为重要。以数值天气预报为例，要求在５０ ｋｍｘ５０ ｋｍ 平均范围内的零风速测量精度优于０．４ ｍ／ｓ，且斜率误差不能超过风速值的０．７％。激光雷达（ＬｉＤＡＲ）可以通 过多普勒效应测量风场目标运动信息，具有时空分辨力高、速度分辨力高、测速范围广、抗干扰能力强等优 点，可以为数值天气预报、航空航天器、精确制导武器等军、民用部门提供目标区域准确的大气风场数据。 目前国外用于对流层风速测量的激光雷达主要是较为成熟的地基和机载雷达，但受机载激光雷达激光发散 角、扫描视场角、飞行区域等因素的，尚不具备全球范围数据的获取能力，天基测风激光雷达具有全天 候、运行轨道高、观测视野广、不受观测区域等优点，成为全球范围内直接获得三维风场廓线有力的测 收稿日期：２０１５－０３—０１；收到修改稿日期：２０１５－０５－１３；网络出版日期：２０１５－０９—２３ 基金项目：国家自然科学基金（６１３４００１８，６１２７１４２７）、北京市自然科学基金（４１５２０４５） 作者简介：朱振宇（１９９０一），男，博士研究生，主要从事遥感图像处理方面的研究。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｙｕ０２１２＠ｓｉｎａ．ａｎ 导师简介：高 昆（１９７４一），男，博士，副教授，主要从事光电成像、光学遥感应用和图像处理方面的研究。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｇａｏｋｕｎ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ａｎ １０】２０１一】 ， 厂 ５２，１０１２０１（２０１５） 激 与光电字学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａ１．ｎｅｔ ‘＝±２ ，Ａ， （１） 当测风目标运动方向远离系统时取负，反之取正。 通过设置距离波门，测得空间不同距离处各扫描样本点的径向速度数据，对全部扫描过程中获取的径 向风速、角度和距离数据进行矢量处理，可以得到三维风场分布信息。 ２）距离分辨率 激光测风雷达每一工作周期内的回波信号是从激光发射开始时连续的、带有作用距离范围内所有气溶 胶径向速度、强度等信息的连续信号。信号处理时，先将这一信号连续采样，然后以激光发射时刻为基准设 置若干等距离或非等距离的距离波门△ｒ ，△ ：，…，△ ，对每一距离波门内的采样信号做傅里叶变换，即 可计算对应距离范围内气溶胶的径向速度值，距离分辨率即为 ｄＬ：ｃＡｒｌ（２ｎ）， （２） 式中△ｒ为距离波门宽度，Ｃ为光速，ｎ为大气折射率。 ３１测速误差 相干探测系统测速误差即测频误差，主要影响因素包括光频漂移、通道噪声、多普勒频率提取精度等。 当激光频率发生漂移时，其带来的测速误差为 △ ＝Ａ△厂 ／２＝ｃａｒ ／（Ｚ ）， （３） 式中△厂 为激光光谱宽度。 在加入校正光路的条件下，光频漂移引入的风场测速误差较小，通道噪声引入的测速误差及多普勒提 取引入的测速误差占主要因素。由于风场在短时间内不会有大的变化，而且风场产生的多普勒频移不是单 频信号，在多普勒频率测量时，在合理优化算法的前提下，采用滤波、相参积累等方式可以有效提高风速测 量精度。 ２．２国内外发展现状 ２０世纪７０年代末，美国ＮＡＳＡ研制出了第一台脉冲ＣＯ。相干测风激光雷达，该激光雷达采用了激光振 荡放大技术（ＭＯＰＡ），可以实现重复频率２００ Ｈｚ下激光脉冲峰值功率达到５ ｋＷ，测量量程达到１０ ｋｍ，测距 精度达到１５０ ｍ，测速范围达到４０ ｍ／ｓ 。但ＣＯ。激光器也有寿命短、性能不稳定、结构复杂、成本高等缺点， 随着固体激光技术的发展，１９８９年，美国相干技术公司（ＣＴＩ）采用半导体激光器（ＬＤ）抽运的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器 ｆ５ ｍＪ、１０ Ｈｚ）实现了全固态的相干测风激光雷达，实现了测距精度为１９２ ｍ、测速精度为０．４２ ｍ／ｓ的高精度 风速测量，测量范围也增大到了３．７５ ｋｍ 。１９９０年，ＣＴＩ公司实现了第一台２ ｐＬｍ相干测风激光雷达，该激 光雷达采用闪光灯抽运的Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ为光源，脉冲能量为２０ ｍＪ，可以实现２０ ｋｍ范围内的风场测量 。 ２０世纪以来，美国的ＮＡＳＡ Ｌａｎｇｌｅｙ研究中心已经实现了１０ Ｈｚ、２５０ ｍＪ的２０５３．４７２ ｎｍ相干测风激光雷达 （实验室指标达到１．２ Ｊ），并计划最近在ＤＣ－８和ＷＢ－５７飞机上进行外场实验 。日本的国家信息和通讯技 术中心（ＮＩＩＣＴ）也在实验室内实现了２０ Ｈｚ下１００ ｍＪ的单频２０５１ ｎｍ激光输出，并进行了风速测量实验，并 计划将激光器能量放大到５００ ｍＪ 。随着１．５ ｍ超窄线宽激光技术的飞速发展，预计１．５ ｍ相干多普勒 激光雷达将成为下一个研究热点 。 从２０世纪９０年代开始，美国先后启动了３个具有代表性的研究计划，即机载激光多普勒测风雷达（ＴＯＤＷＬ）、 ＧＷＯＬＦ（Ｇｒｏｕｎｄｂａｓｅｄ Ｗｉｎｄ Ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ Ｌｉｄａｒ Ｆａｃｉｌｉｔｙ）和ＶＡＬＩＤＡＲ（Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ Ｌｉｄａｒ），并开辟了气象天基激 光雷达的先河。在１９９４年９月２０日用发现号航天飞机搭载激光雷达进行了激光雷达空间技术试验（ＬＩＴＥ），充 分反映了空间激光雷达在研究气溶胶和云方面的潜力，成为世界上首个地球轨道激光雷达试验 。 欧空局在２００２年着手进行了ＡＬＡＤＩＮ（Ｔｈｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）计划，主要采用非 相干探测技术测量风场廓线用于天气预报和气候学研究，这是欧洲第一台空间激光雷达和全球第一台天基 测风激光雷达，原计划２０１２年发射，卫星采用太阳同步轨道，飞行高度为４００ ｋｍ ’。 总之，目前的天基激光测风雷达的总体趋势主要以ＥＳＡ的ＡＬＡＤＩＮ计划（３５５ ｎｍ直接探测）和ＮＡＳＡ的 ＪＥＭ／ＣＤＬ计划（３５５ ｎｍ直接探测＋２ ｍ相干探测）为代表，其主要指标对比如表１所示 。 １Ｏｌ２０１—３ ， 澈 与光电字学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａ１．ｎｅｔ 表ｌ几种天基激光测风载荷对比 Ｔａｂｌｅ ｌ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｌｏａｄｓ ｏｆ ｓｐａｃｅ—ｂａｓｅｄ ｌａｓｅｒ 我国也有一些研究机构对测风激光雷达进行了研制。中国海洋大学在国家８６３计划的支持下研制了车载 式“非相干多普勒测风激光雷达” ”，采用了５３２ ｎｍ激光光源，主要测量指标为探测距离０．５～１０ ｋｍ，距离分辨 率０．１５ ｋｍ，径向风速范围０～５０ ｍ／ｓ，风速精度ｌ ｍ／ｓ，风向范围０～３６０。，风向精度１５。。中国科学院安徽光学精 密机械研究所针对非相干测风的应用要求，研制了１０６４ｎｍ的Ｎｄ：ＹＡＧ激光雷达，并进行了测风实验。其指 标为测量范围０．１～４０ ｋｍ，风速范围０～１００ ｍ／ｓ，在１０ ｋｍ内可达到测速精度３ ｍ／ｓ和测距精度３０ ｍ“ 。中国科 学院上海光学精密机械研究所采用３５５ ｎｍ激光器和Ｆｉｚｅａｕ干涉仪实现了条纹技术测风激光雷达，并进行了 风速测量实验，测量得到了１．５ ｋｍ内的风廓线，并且标定得到风速测量误差小于１ ｍ／ｓ 。与国外先进技术相 比，这些产品多采用了成熟的Ｎｄ激光器件与技术，工作波长都属于对人眼不安全波段，因此对使用场所有一 定；非相干探测需要鉴频器，因此多采用一些碘吸收池等器件，又增加了系统的体积和重量；测量结果显 示测量精度不如相干探测。北京理工大学曾研制了２ ｕｍ单纵模脉冲激光光源并构建了相干多普勒测速原理 演示系统，实现了０．０２ ｍ／ｓ的测速精度。 ２．３相干探测的技术优势 光外差探测技术具有高的灵敏度和探测微弱信号的能力，因此相干激光测风已被证明是高分辨测量遥 感风场和运动目标速度的有力工具。作为天基应用，与直接探测相比： １）相干探测选用的固体激光器在体积、重量和功耗上有明显的优势，从而降低了载荷方面的负担； ２）直接探测用到较大的激光脉冲能量，激光器结构复杂，抽运源需要２个单频种子激光器，作为注入种 子的激光器要和作为参考的种子激光器具有相同的频率，频率控制难度大，而相干探测用到激光器只需要 一个种子激光器，参考信号和注入信号均来自于该激光器，另外直接探测用到的脉冲激光器有两级放大，增 加了系统的功耗，不利于系统长期稳定运转； ３）直接探测与相干探测激光器的线宽差距很大，对于多普勒测风雷达来说，较宽的线宽会造成测速精 度的降低； ４）相干探测方式采用了光外差的探测方法，只需要单一探测光路和单个探测器，而直接探测需要搭建 菲索和Ｆ－Ｐ干涉仪２种探测光路和２个探测器； ５）直接探测采用的激光波长较短（３５５ ｎｍ），受较稠密大气散射影响，不可能获取低层大气的风场数据， 比较适合测量对流层以上的高空风速，而由于相干探测采用的激光波长较长（２ ｍ），能够穿透低层稠密大 气层并具有可精确获取中低空对流层风场多普勒频移。 当然，相干探测对激光器频率、线宽等性能要求较高，对激光光路的调整要求也更高，同时还需要更复 杂的信号处理系统，但随着激光雷达技术的进步，其高测量精度和高效率运转的优势正逐渐成为正在天基 测风应用发展和应用的重点探测技术。 １０１２０１—４ 撒光与光电子学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａ１．ｎｅｔ 件对激光雷达探测范围影响严重。为了计算出天基激光雷达所需的最小能量，必需理解激光雷达方程中各 个参数的取值ｕ 。 １）激光雷达效率叼 常用的雷达系统各部件光学系数如表２所示。 表２激光雷达光学系统各器件效率 Ｔａｂｌｅ ２ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｒａｄａｒ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ叼。 Ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ叩Ｒ Ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ Ｗｉｎｄｏｗ Ｂｅａｍ ｅｘｐａｎｄｅｒ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ９９％ ９８％ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ ９９％ Ｈｉｇｈ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｍｉｒｒｏｒ（２ｘ） Ａ／４ｐｌａｔｅ Ａｎｔｅｎｎａ ９８％ ９９％ ９８％ Ａ／４ｐｌａｔｅ ９９％ Ｈｉｇｈ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｍｉｒｒｏｒ（２￣） Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｅｎｓ Ｂｅａｒｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ９８％ ９９％ ９０％ Ｗｉｎｄｏｗ ９９％ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ 。＝９３．２％ Ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，７Ｒ＝８３．９％ 目前较好的光电探测器量子效率叩 ＝８０％，设拍频模式匹配效率叼 ＝１００％。如果再考虑到激光在传输 接收中因偏振态旋转导致的损耗（约为１０％），即叼 ＝９０％，以及激光雷达实际应用中光学系统加工装调（通常 小于４０．１％，这里取４０．１％）。还有望远镜远场对准精度 ＦＦ ＝９０％，那么最后的全体效率为 卵＝叼。× ×叼。×叼 ×卵 ×４０．１％× Ｆ ＝６２６％×９０％×４０．１％×９０％＝２０．３３％． ．（５） ２）后向散射系数』Ｂ 大气散射其实就是电磁波同大气分子或气溶胶等发生相互作用，使入射能量以一定规律在各方向重新分 布的现象。大气散射同入射波的波长、强度以及粒子的大小、形状和折射率有关。本文使用了ＢＡＣＫＳＣＡＴ４．０ 数据库计算得到空气质量良好的后向散射系数，如图５所示，可见在海拔１０ ｋｍ以下２０９１．２ ｎｍ处大气后向散 射主要以米氏散射（气溶胶粒子散射）为主。 善 Ｕ ｛雹 ０● ． 毫 显 ∞ 甍 图５不同海拔高度２０９１．２ ｎｍ激光后向散射系数 Ｆｉｇ．５ ２０９１．２ ｎｍ ｌａｓｅｒ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｖｅｒｓｕｓ ａｌｔｉｔｕｄｅ ３）大气传输系数 大气传输系数 的计算过程是比较复杂。利用美国空军地球物理实验室开发的Ｍｏｄｔｒａｎ软件进行计 算，以１９７６年美国标准大气为参考，在天气晴好ｆ能见度大于２３ ｋｍ）的条件下，２０９１．２ ｎｍ激光在大气中传输 １００ ｋｍ的大气传输系数Ｔ＝Ｏ．９３９３。 ４）大气湍流系数 大气湍流对激光束的传播会引起光束漂移和展宽。大气湍流对激光雷达信号传输的影响可以采用大 气湍流系数 表示为 １０１２０１—６ ５２，１０１２０１（２０１５） 激 与光电子学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａ１．ｎｅｔ ＋１－ ） ＋１－ ］ ＋（去）‘ 式中Ｆ表示雷达望远镜的焦距，远场Ｆ＝Ｒ，Ｄ是激光雷达接收口径，．ｓ。表示相干长度，可表示为 ｒ Ｒ ／ 、５／３］； ｓ。（ ） Ｉ２．９ｌ ｒ）ｌ 一 ｒ ｊ ｄｒｌ， （７） 其中，ｋ＝２１Ｔ，Ａ，Ｃ２ｎ（ｒ）的单位为ｍ ，是大气折射率结构常数，用来表示距离为ｒ两点之间大气折射率的扰 动，可用来对光束扩展、漂移等进行定量计算，主要受到海拔高度影响，受波长、气压、温度等影响很小，可近 似表示为 Ｃ￣ｏ（ｒ）＝１．５８５３×１０一 ｚ ＝１．５８５３×１０一 ｒ ｓｉｎ ）一ｊ， （８） 其中， 是激光雷达探测仰角，这里取 ＝４５。。由于高层大气比较稀薄，假设大气湍流只发生在对流层和平 流层（０～４０ ｋｍ），通过数值计算得出大气湍流系数为０．９９９９９９９９９７１７７０９￣１。大气湍流的影响很小，可以忽 略。 ５１取样积分技术 天基激光雷达探测到的拍频信号通常很弱，很可能淹没在噪声中，单次取样无法获得需要的信息，通常 采用取样积分技术来提高信号的信噪比。取样积分技术是对周期性的有用信号，在每个周期的统一相位处 多次采集波形上的某点的数值，其加算平均的结果与该点处的瞬时值成比例，而随机噪声的长时间平均值 将收敛为０，这样就可以改善信噪比。根据理论信噪比的改善情况与取样次数Ⅳ有关，Ⅳ次取样积分后信噪 比Ｓ／Ｎ 与单次取样信噪比Ｓ／Ｎ关系为 Ｓ／Ｎ ＝４－；Ｓ／Ｎ． （９） 通过取样积分技术可以有效提高信噪比，降低激光雷达对激光器脉冲能量的要求。 ３．２高灵敏度探测接收技术 高灵敏度探测接收技术的目的是获得高灵敏度、低噪声、抗干扰能力强、高光谱分辨率的相干回波信 号，开展的研究包括高精度接收光学系统设计、高灵敏度探测器接收电路设计、高信噪比、高可靠性电路及 实时信号处理系统设计等。 图６给出了整个回波信号采集与处理系统的基本架构，包括高速运放、高速Ａ／Ｄ、数字下变频、低通滤波 器、快速傅里叶变换（ＦＦＴ）滤波器组、求模选大、积累平均等功能模块组成，其中信号处理部分采用了高速数 字信号处理（ＤＳＰ）＋现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）的处理模式。由于Ｖ开关的随机性会破坏激光脉冲的相干 性，因此设计数字下变频相干接收机以去除激光雷达发射脉冲的载波随机初相位、恢复信号的相干性，提高 接收回波信号信噪比 。 ３．３空间扫描技术 为了获取三维风场信息，增大距离分辨率，常规的单激光器多普勒测风雷达需要采用扫描的方式工 作。在伺服控制下，系统扫描器将准直后的激光脉冲射向探测区域并作二维空间扫描，扫描器有多种扫描 方式，如锥形扫描、指状扫描、弧线扫描及高分辨率光栅扫描等。需要充分考虑星体本身的运动来设计合理 的扫描方式，或采用多站、多基线的方式来测量。 ３．４激光雷达信号处理及定标技术 以新相干测风激光雷达为基础，完成对接收数据预处理加工、算法研究和产品提取的研究。包括 开展空间站载体运动补偿技术研究、原始信号噪声滤波方法研究、测量数据误差控制方法研究、测量数据积 累策略研究、背景去除方法研究以及获取规范化数据的新方法等信号处理方面的研究，完成相干测风激光 雷达的系统定标及系统性能测试方法研究、相干测风激光雷达数据反演方法研究及相应的相干测风激光雷 达的系统模拟计算软件的设计等 。 １０１２０１—７ 幻 ／ ５２，１０１２０１（２０１５） 数 与光电孑学进展 ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｊｏｕｒｎａ１．ｎｅｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２００９：１—４． ９ Ｋ Ｍｉｚｕｔａｎｉ，Ｔ Ｉｔａｂｅ，Ｓ Ｉｓｈｉｉ，ｅｔ ａ１．．Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ—ｃｏｏｌｅｄ ２ ｍｉｃｒｏｎ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ＣＯ２ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ ｏｆ ＳＰＩＥ Ｌｉｄａｒ Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ＩＸ，２００８，７１５３：７１５３０Ｊ． １０ Ｇ Ｄ Ｅｍｍｉｔｔ，Ｓ Ａ Ｗｏｏｄ，Ｇ Ｋｏｃｈ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＧＷＯＬＦ ａｎｄ ＶＡＬＩＤＡＲ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｌｉｄａｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｃ］．８５ｔｈ ＡＭＳ Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ，２００５：５１９３—５１９７． １ １ Ｂａｉ Ｘｕｅ，Ｇｕｏ Ｐａｎ，Ｃｈｅｎ Ｓｉｙｉｎｇ，ｅｔ ａ１．．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ一￣ｅｑｕｅｎｃｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｗｉｎｄ ｌｉｄａｒ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ Ｌａｓｅｒｓ，２０１５，４２（１）：０１１４１１３． 白 雪，郭 磐，陈思颖，等．相干多普勒测风激光雷达时域信号仿真及时频分析【Ｊ１．中国激光，２０１５，４２（１）：０１１４１１３． １２ Ｇａｏ Ｘｉｎ，Ｈａｎ Ｙｕｌｉ，Ｊｉｎ Ｇｅ．Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｌｉｄａｒ ｉｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ Ｌａｓｅｒｓ，２０１５，４２（１）： ０ｌ１３００２． 高 昕，韩於利，金 革．中高层大气测风激光雷达数据采集系统【Ｊ］．中国激光，２０１５，４２（１）：０１１３００２． １３ Ｂｕ Ｌｉｎｇｂｉｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｗｅｉｂｉａｏ，Ｚｈｏｕ Ｊｕｎ，ｅｔ ａ１．．Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｆｎｎｇｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｉｎｄ ｌｉｄａｒ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２００９，３８（１）： １７５—１７８． 卜令兵，陈卫标，周军，等．条纹技术测风激光雷达研究［Ｊ］．光子学报，２００９，３８（１）：１７５—１７８． １４ Ｌｉ Ｒａｎ，Ｗａｎｇ Ｃｈｅｎｇ，Ｓｕ Ｇｕｏｚｈｏｎｇ，ｅｔ ａ１．．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｌｉｄａｒ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｅｗ，２００７，２５（０７１４）：５８—６３． 李然，王成，苏国中，等．星载激光雷达的发展与应用【Ｊ】．科技导报，２００７，２５（０７１４）：５８－６３． １５ Ｌｉｕ Ｊｉｑｉａｏ，Ｂｕ Ｌｉｎｇｂｉｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｊｕｎ，ｅｔ ａ１．．Ｏｐｔｉｃａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ ｏｆ ａ ｍｏｂｉｌｅ ｄｉｒｅｃｔ—ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｄｏｐｐｌｅｒ ｗｉｎｄ ｌｉｄａｒ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ Ｌａｓｅｒｓ，２００６，３３（１０）：１３３９—１３４４． 刘继桥，卜令兵，周 军，等．车载直接探测多普勒测风激光雷达光学鉴频器 ．中国激光，２００６，３３（１０）：１３３９—１３４４． １６ Ｗａｎｇ Ｃｈｕｎｈｕｉ，Ｌｉ Ｙａｎｃｈａｏ，Ｘｕ Ｂｏ，ｅｔ ａ１．．Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｚｉｍｕｔｈ ｄｉｓｐｌａｙ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｌｉｄａｒ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊ Ｌａｓｅｒｓ，２００８，３５（４）：５１５—５１８． 王春晖，李彦超，徐博，等．激光测风雷达速度方位显示反演中数据质量的控制方法与仿真【Ｊ】．中国激光，２００８，３５（４）： ５ｌ５—５ｌ８． １７ Ｈｕ Ｈｏｎｇｗｅｉ，Ｈｕ Ｑｉｑｕａｎ．Ｂｅａｍ ｓｃａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｌｉｄａｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｗｉｎｄ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｏｐｔｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２００１，２ｌ（６）： ７２０－７２３． 胡宏伟，胡企铨．星载激光测风雷达的光束扫描及风场反演【Ｊ］．光学学报，２００１，２１（６）：７２０－７２３． 栏目编辑：史敏 １０１２０ｌ一９
