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抓不住的风,那些年轮番上阵的相干测风激光雷达
材料来源:激光荟萃           录入时间:2019/4/12 23:23:31

对流层风场、大气退偏比等参数是风能源开发供应、航空安全、大型建筑物和重大工程安全设计、城市规划和防灾管理等的重要参数,也是大气污染物稀释、扩散、输送的重要参数。目前,使用基于米氏散射原理的相干多普勒测风激光雷达,可以实现从地面到对流层无盲区的大气参数观测,并且具有高精度、高分辨率、大探测范围等优点,成为国际研究的重点。

目前,美国航空航天局(NASA)、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、美国洛克希德马丁公司(LMCT)、美国雷神公司(Raytheon)、日本三菱公司、法国Leosphere公司等相继开展了理论和实验研究,并进行了商业化样机的研制。

国内相干激光雷达主要研究单位包括中国科学技术大学(USTC)、中国电子科技集团公司第二十七研究所(CETC27)、中国科学院上海光学精密机械研究所(SIOM)、哈尔滨工业大学(HIT)、中国海洋大学(OUC)、北京理工大学(BIT)等。

相干激光雷达研究现状

全光纤相干多普勒测风激光雷达系统可以分为激光光源模块、发射接收模块及后期的信号处理模块。

相干测风激光雷达的优点:

1)相干探测采取拍频的方式将后向散射信号放大,理论上信噪比可达到量子噪声极限;

2)相干激光雷达要求本振光及信号光的波前匹配,因此相干激光雷达对背景噪声、探测器噪声具有抑制作用,可实现在无滤波器条件下的连续观测;

3)相干测风激光雷达无需光学鉴频器,接收光路简单,对温度梯度、应力梯度不敏感;

4)随着激光波长的增加,单光子能量E0=hν逐渐减小(其中h为普朗克常量),从而导致探测难度增加。与直接探测采用价格昂贵的超导探测器、上转换探测器等相比,相干探测常采用平衡探测器,缩减了系统成本。

相干激光雷达波长选取时要考虑到:1)大气透过率;2) 人眼安全,激光增益介质;3)光纤损耗;4)天空背景辐射。

相干激光雷达波长主要集中在1.5 μm和2.0 μm,同时1.5 μm波段为通信波段,各种光器件比较成熟,使得1.5 μm成为目前的主流波段。

气体相干测风激光雷达

CO2激光器具有高能量转化效率、稳定的单频率激光输出、高能量的脉冲和连续波输出、大气透射窗口好、人眼安全的激光波长等特点,被相干雷达系统大规模使用。

第一台基于连续波(CW)CO2激光器的相干多普勒测风激光雷达由NASA的Huffaker研制成功。1968年,Raytheon和NASA合作对该系统进行升级,解决了大风速情况下系统失能的问题,并用于实现几百米高空情况下由飞机产生的涡流和大气边界层内风场的探测。英格兰的Vaughan课题组使用基于CW CO2相干多普勒测风激光雷达系统实现了对气溶胶后向散射的探测。

1970年代,美国雷神公司成功研制出脉冲式CO2相干多普勒测风激光雷达,并将其用于商业航班路线上晴空湍流的探测。1984年,NOAA基于10.6 μm的CO2激光雷达,对大气风场进行了测量,并和风速计、气球及微波雷达的测量结果进行了比较。

1980年代,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(TEA)激光器开始被使用,基于TEA技术,激光单脉冲能量可达到100 mJ。1980年代中期,美国的Hardensty课题组及其他机载测风项目的课题组,开始使用单脉冲能量1 J,脉冲重复频率20 Hz的脉冲式CO2激光器作为相干多普勒测风激光雷达的光源。

美国大气研究中心(NCAR)的Mayor等和加州理工大学的Kavaya等使用波长为9.25 μm和10.6μm的TEA CO2相干多普勒测风激光雷达开展了大气折射率结构常数、湍流和大气后向散射参数测量的相关工作。法国国家科学院(CNRS)的Flamant和德国航空太空中心(DLR)的Werner课题组合作进行了基于TEA CO2激光器的机载脉冲式相干多普勒测风激光雷达的研究。

不过,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。

1.06 μm相干激光雷达

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1.06 μm波长相干多普勒测风激光雷达,该系统实现了600 m风场和2.7 km的云层探测。

1988年,Kavaya等研发出了1.06 μm波长的相干多普勒测风激光雷达系统,该雷达实现了3.75 km的水平风场探测距离。

随后,在美国相干技术公司(CTI)、NASA马歇尔太空飞行中心(MSFC)和NASA兰利研究中心(LaRC)的共同合作下,该系统的脉冲能量升级为1 J,脉冲重复频率为10 Hz,在肯尼迪宇航中心(KSC),为发现者号航天飞机发射和着陆过程提供气象保障,实现了地表到26 km高度的风场探测。考虑到人眼安全,1.06 μm逐渐被1.5 μm和2.0 μm波长取代。

1.5 μm相干激光雷达

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1.5 μm波长的相干多普勒测风激光雷达系统成为研究的新热点。

从第一台基于CO2激光器的相干多普勒测风激光雷达问世以来,LMCT和CTI就一直在致力于相干多普勒测风激光雷达的研究。

2002年,LMCT发布了基于2.0 μm的WindTracer商用相干多普勒测风激光雷达系统。目前已经升级为基于1.617 μm的Er∶YAG激光器。NASA使用商用WindTracer系统进行了飞机风切变、晴空湍流等探测,于2009年在丹佛国际机场对飞机涡流进行了建模和预测。

由于3 mJ的单脉冲能量导致WindTracer对激光器的性能、光学器件的品质等要求都很高,造成器件的寿命都很短且极易发生损坏,因此系统的适用性差。 NASA研发了基于Er∶Glass光纤激光器的全光纤Windimager相干多普勒测风激光雷达系统。

2010年8月,NCAR的Spuler等基于连续波相干多普勒测风激光雷达,在12 km高空进行了飞机前方湍流探测的机载实验。

2011年,FiberTek公司的Akbulut等进行了湍流和波音747飞机尾流的数值模拟,并使用该公司自己研发的相干多普勒测风激光雷达进行了实际探测。

2016年,FiberTek公司进一步提高了激光雷达的脉冲能量。使用中心波长为1572.3 nm,脉冲能量440 μJ的激光雷达实现了二氧化碳气体探测。

日本三菱电机有限公司(MEC)

从20世纪90年代后期开始致力于相干多普勒测风激光雷达的研究工作。1998年,三菱电机公司的Asaka等使用1.53 μm波长的半导体种子激光器,这是世界上首台基于1.5 μm人眼安全波长的相干多普勒测风激光雷达。

全光纤系统具有结构紧凑、方便组装和维护、成本低、系统更稳定等诸多优点,因此三菱公司从2002年起开始报道其全光纤相干多普勒测风激光雷达系统的研发成果,完成了机载验证实验,并于2003年推出首台原理样机。

2006年,又推出了商用的全光纤相干多普勒测风激光雷达系统LR-05FC。2010年,升级之后的LR-08FS系统被用于香港机场。

2012年,Sakimura等使用Er,Yb∶Glass平面波导技术和二级激光放大技术,对出射激光输出功率进一步放大,实现了超过30 km的水平风场探测距离。

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

法国航空航天中心(onERA

2008年,法国航空航天中心(ONERA)首次报道了基于1.5 μm光纤激光器的相干多普勒测风激光雷达 ,并使用该系统进行了飞机尾流的探测。在考虑到光纤的受激布里渊现象之后,ONERA自主研发了掺Er,Yb的光纤激光放大器。

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,进一步将激光器的脉冲能量提高至120 μJ,实现了飞机尾流的探测。

2014年,通过在大模场面积的光纤中加入应力等方式,ONERA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10 km的风场探测距离。

2015年,ONERA通过使用多个光纤放大器并联,提高了光纤激光器的激光脉冲能量。通过与Leosphere公司合作,该激光器已经应用于WindCube产品中,并进行了灾难天气预测、机场风切变监测等外场实验。

法国Leosphere,与ONERA和丹麦科技大学(DTU)都有合作关系。其产品分为陆基WindCube系列和风电机舱雷达Windiris系列,广泛应用于风力发电、航空安全保障、天气预报、空气质量监测等。 

英国ZephIR公司为英国QinetiQ公司的子公司。在20世纪90年代中期,QinetiQ公司就致力于使用光纤激光器替代当时相干多普勒测风激光雷达系统中使用的CO2激光器,并于20世纪90年代后期成功研究了全光纤的连续波相干多普勒测风激光雷达系统,且在2002年成功研究了全光纤的脉冲式相干多普勒测风激光雷达系统,同时与DTU合作,将其系统用在风力发电领域。


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