一、引言
风是由空气的水平运动而形成。大气风对人类的日常工作与生活影响较大。对大气风场进行实时快速探测与分析在飞行安全、数值天气预报、灾害天气防治、空间天气气候态势分析、风力发电、轨道测风、星际测风、军事环境预报等方面具有重要意义。因此，对大气各高度层（数米～数百公里）的风场分布进行快速主动遥测，在军事、民用领域具有广泛的应用，是现代雷达技术的一个重要应用领域。
主动式大气风遥测手段有很多，常见的有微波雷达、声雷达、激光多普勒测风雷达等。激光多普勒测风雷达利用光学多普勒效应来测量大气风场，具有空间和时间分辨率高、覆盖范围大、探测距离广等特点。由于激光与传统光源相比具有强度高、单色性好、相干性强、等优点，自20世纪60年代激光出现以来，激光多普勒测风技术一直是研究的热点。
经过50多年的发展，通过包括更高的激光效率和输出功率，更强大的镀膜加工工艺，更先进的结构材料等技术的不断进步，激光多普勒测风雷达从诞生初期仅应用于基础技术演示，如今发展到适用于可移动式、地基、车载、舰载、机载以及星载等多种承载平台，可探测从数米到数千公里的大气风场数据，广泛应用于航空、风力发电、气象、以及国防军事等领域。
本文对当前激光多普勒测风雷达的主要体制即直接探测和相干探测进行了分析和比较，介绍了这两种互补技术的最新发展成果及应用，并在此基础上总结了激光多普勒测风技术的发展趋势、研究热点。
二、基本原理
⒈概述
激光多普勒测风技术利用大气中气溶胶对激光后向散射回波的多普勒频移效应，来实现对大气风场分布的非接触式测量。激光多普勒测风雷达是建立在激光对大气散射多普勒频移基础上进行设计，工作原理如图1所示。频率为 fx＝c/λ（hz）的发射激光束被大量粒子（气溶胶粒子和分子）散射，其中V（m/s）为平均风速，c（m/s）为光速，λ（m）为激光波长。不考虑相对论效应，激光发射机的频率为：
fp＝fx＋(V/λ)cos(φx) ⑴
同样，接收器测得的激光反射的频率为:
fr＝fp＋(V/λ)cos(φr) ⑵
因此，多普勒频移为：
fd＝fr－fx＝2V(cos(φx)＋cos(φr)/2λ ⑶
若光学系统为收发合一，则φr＝φx＝φ，多普勒频移即为：
fd＝2V(cos(φ)/λ＝2VLos/λ ⑷
其中，径向速度VLos是投射到收发器视线上的速度分量。因此，通过接收器得到多普勒频移，从而测到径向风速。
图1 激光多普勒测风工作原理
⒉检测技术
激光多普勒测风雷达通过大量气溶胶，云粒子和空气体积中的分子运动的多普勒效应来测量风速。通常，激光多普勒测风雷达通过两种不同的检测技术来实现对多普勒频移的光谱鉴频：
⑴直接探测（DDL）：通过光谱分析方式进行鉴频；
⑵相干探测（CDL）：通过光学混频方式来实现对多普勒频移的测量。
通过检测技术，激光多普勒测风雷达可以获取测量高度的径向风。如果需要测量三维大气风场（水平风速、水平风向、垂直气流），则要利用扫描技术获取风场信息。
直接探测测风雷达依赖于信号强度或光子数量进行测量，而相干探测测风雷达通过测量后向散射信号的相位和频率获取风场信息。由于探测方式的不同，相干探测与直接探测激光多普勒激光测风雷达在激光器、大气后向散射、接收器、校准方式、附加参数、技术成熟度、主要应用领域等各个方面存在不同，详细情况见表1。
表1 相干探测与直接探测激光多普勒测风雷达比较
⑴直接探测技术
基于直接探测技术的激光多普勒测风雷达采用光谱分析方式鉴频，不使用本振光进行解调风切变 探测，直接使用光频鉴频器或光谱分析仪，通过对接收信号与发射信号的相对能量变化来测量频移，从而实现对风速多普勒信号测量[12]。直接探测激光多普勒测风技术主要有条纹(成像)技术和边缘技术。边缘技术利用窄带鉴频器，如Mach—Zehnder干涉仪、FP(Fabry—Perot)标准具、Michelson干涉仪、光栅等，或者利用各种原子、分子滤波器，如碘滤波器，钠、钾、银蒸汽滤波器，将频率信号的变化转化为相对能量信号的变化来测定多普勒频移；条纹技术通过利用干涉形成的条纹移动测量频率的变化，主要采用Fizeau干涉仪或FP标准具产生环形条纹或线形条纹。图2为利用双边缘技术的直接探测式激光多普勒测风雷达原理示意图。如图所示，发射激光脉冲通过一个替续光学器件到达发射望远镜并进入大气层。大气后向散射的回波通过布氏片（brewster plate）将接收系统分成两个通道，即气溶胶和分子通道。两个通道都通过几个滤光片，最后由CCD探测器记录，完成多普勒风速测量。直接探测式激光多普勒测风雷达适合对大气汽溶胶散射、分子散射以及共振荧光散射的探测，具有从近地面到高空大气探测的能力。
图2 直接探测激光多普勒测风雷达原理示意图
⑵相干探测技术
基于相干探测技术的激光多普勒测风雷达是采用光学混频方式来实现对风速多普勒信号的测量，根据多普勒频移可计算出气溶胶颗粒的相对于光束方向的运动速度，得到气溶胶沿光束方向上的风速分量。如图3所示，激光器提供了频率为f0的本振光输出，同时分束出一束激光作为发射激光。发射激光经声光调制器（AOM）调制，产生fAOM的频移，在激光放大器中进行放大后，得到频率为 f0＋fAOM 较大功率激光脉冲输出。放大输出的激光脉冲经分束器分出一部分与经过声光调制后的光信号进行混频，得到频率为fAOM的参考信号。同时，大部分放大后的发射激光经过声光调制器后，经天线和扫描器发射激光。假设大气风场对激光产生的多普勒频移为△f ，接收到气溶胶的散射回波信号中心频率为f0＋fAOM＋△f，并与雷达本振光进行相干混频，经过平衡探测器转换为fAOM＋△f的回波信号。回波信号与参考信号进行相干混频后，通过对中频信号的数字鉴频和信息处理获取气溶胶沿光束方向上的风速分量。通过扫描装置，可测得不同方向上的径向风速，从而获取到测量范围内的大气风场信息。相干探测技术适合于对大气气溶胶的探测，其多普勒展宽较窄，适合对大气对流层高度内风场测量。
图3 相干探测激光多普勒测风原理示意图
三、研究进展
⒈直接探测激光测风技术
自从1972年，Benedti-Miehelangeli等人用FPI扫描干涉仪搭建了第一台直接探测式激光雷达系统以来[12]，直接探测激光多普勒测风技术得到了快速的发展。经过多年的发展，直接探测激光多普勒测风雷达已被证明可以提供从地面到海拔60km的风场信息，甚至更高距离的风场信息。近几年，边缘技术被广泛采用，其中的典型代表为NASA Goddard公司的对流层风激光雷达技术实验（TWiLITE）测风仪和欧洲航空局的远程星载直接探测激光多普勒测风雷达。
图4 TWiLITE 多普勒测风雷达
2001年，美国NASA Goddard航天中心的Korb等人，利用双边缘直接探测测风理论成功的研制出了车载激光多普勒测风雷达系统（Goddard Lidar Observatory for Winds，简称GLOW）。2009年，Goddard公司开发完成对流层风激光雷达技术实验（TWiLITE）测风雷达（图4），该系统采用双边缘技术，用单频、导电冷却的Nd：YAG激光器为发射装置，接收系统采用F－P标准具，工作波长为355nm，测量距离为250米到18公里，垂直分辨率为250米，速度精度优于2 米/秒。2009 年9 月，该系统集成在NASA ER-2 Q 航班上在海湾进行初始工程飞行。2011年2月完成了多次飞行任务，进一步测试了该仪器的性能。此后，重新配置该仪器，作为飓风和严重风暴哨兵NASA 地球风险计划的一部分，完成在NASA全球鹰的25区飞行测试。
Goddard航天中心近年来致力于开发火星激光雷达（MARLI），设计并测试了用于火星轨道的直接探测激光测风雷达。该雷达采用双边缘光学鉴别技术，用于测量来自轨道的风廓线。目前处于早期实验室测试阶段。当前设计的激光测风雷达指向角为30°，用于测量环绕火星极地轨道大气风。图5为测量概念图。如图5（A）所示，MARLI测量跨轨道方向上风的多普勒频移，从而完成风的测量；如图5（B）所示，MARLI指向距最低点30°到45°的交叉轨道，从而测量交叉轨道方向的风场信息；由图5（C）所示，可以采用双发射器/接收器。
A）MARLI仪器在火星极地轨道上测量概念图
B）测量方向
C）仪器的双光束概念图，允许矢量风测量
图5 MARLI测量概念图
为了在全球观测系统中获取更丰富的直接风廓线数据风切变 探测，欧洲航空局在1999年全面启动了全球第一台星载直接探测激光多普勒测风雷达计划(ADM—Aeolus)，开始研制远程星载直接探测激光多普勒测风雷达(ALADIN)。该雷达采用二极管泵浦三倍频(355nm)Nd—YAG激光器，重复频率为50Hz，脉冲能量为60mJ，瑞利散射选择双边缘的F-P干涉仪。如图6所示，ALADIN搭载海拔400km卫星沿极地轨道进行测量，望远镜指向方向α＝35°偏离最低点，激光发射方向与卫星运行方向垂直，所以卫星飞行速度在视线方向上的分量为0，消除了卫星飞行速度对风速测量的影响。
图6 ALADIN 测量示意图
ALADIN通过向大气发射激光，接收大气气溶胶、云粒子、大气分子散射回的回波，计算出由大气运动所产生的激光多普勒频移，从而测量到风速，获取地面和平流层下部（0～30km）的风速。在执行卫星测量任务之前，ALADIN安装在飞机上作为卫星发射前的验证。该雷达于2005年10月首次部署在飞机上。此后经过十年的发展，ALADIN对大气风廓线进行全球连续观测，测量距离门从250m到2km，风速精度优于2m/s。2016年，ALADIN通过环境测试，随后集成到卫星平台上调试，准备随卫星发射。2018年8月22日。ALADIN搭乘Vega火箭从法国圭亚那的欧洲太空港基地成功升空，在距地球320km的高空中执行为期三个月的任务，标志着星载激光多普勒测风雷达进入了应用阶段。
我国在上世纪90年代才开始从事激光测风技术的研究，主要目的是用于管道流体速度测量、大气监测、天气预报等，应用方式为实验室、车载式或固定安装式。从事直接探测激光测风的主要研究机构有中国海洋大学、中国科学技术大学、中科院安徽光机所、哈尔滨工业大学等。
2003年，中国海洋大学刘智深团队研制了车载式“非相干激光多普勒测风雷达”系统，采用进口的脉冲Nd：YAG激光器进行倍频，并利用吸收法将激光波长锁定在532 nm上，利用碘分子吸收线作边缘检测，进而反演得到风速剖面、风场数据,作用距离可达到12km。2008 年，该套系统服务于奥运会，对青岛奥运帆船赛水域风速进行了实时测量，取得了圆满成功。目前，该团队致力于星载测风雷达研究。2013 年，中国科学技术大学基于双边缘技术建立的车载瑞利激光多普勒测风雷达，其激光器的重复频率为50Hz，单脉冲能量为350mJ，探测器量子效率为20%，实现了对平流层至中间层底部的风场测量，探测高度达60km，水平风速误差约为6m/s。
⒉相干探测
国外20世纪60年代便开始相干激光多普勒测风雷达的研究。目前技术已经相当成熟，在大气监测、风力发电、飞行安全、国防军工等领域，发挥着越来越大的作用。按照其所采用的激光发射器发展历程，激光多普勒测风雷达总共经历了三个阶段:
第一代（1970～90年代）：采用10um 波段CO2激光器为代表的激光多普勒测风雷达。其波束稳定性好、输出功率大，缺点是体积庞大笨重，需要较高的能量供应和冷却系统。由于CO2激光器积大、质量重、能耗高、效率低、价格高昂等缺点，导致系统应用上受到限制。
第二代（1990年代）：采用2um 波段固体激光器为代表的激光多普勒测风雷达。其光束质量好，寿命长，结构紧凑，由于其功耗高和2um 波段激光的水气吸收大，使其应用推广受到一定限制。
1992年美国相干技术公司（CTI）首次研制出2um二极管泵浦全固化相干激光多普勒测风雷达系统WindTracer。CTI公司归入Lockheed Martin公司后，采用1.6um固体激光器研制对原有系统进行了改进，并在民航业开展应用（图7）。激光器工作重频约700Hz，输出能量最大2.7mJ，采用φ96mm口径的天线，新系统作用距离达到15km。
图7 WindTracer实物及风切变探测
第三代（2000年开始）：采用光纤激光器为代表的激光多普勒测风雷达。其稳定性强、光束质量高、体积小、环境适应性强，使得小型批量商用化的激光多普勒测风雷达逐渐成为了主流。
光纤激光器来是最近十几年来发展的热点，与气体和固体激光器相比，具有模块化集成度高、可靠性高、寿命长、功耗低、不需水冷、光纤输出、使用灵活及维护方便等特点，整机系统在体积、重量、紧凑性及可靠性等方面都具有很大优势。
全光纤多普勒测风激光雷达分为连续和脉冲工作方式。由于连续工作方式的系统对信号采集和处理速度要求不高且不需要脉冲调制和偏振保持，连续激光多普勒测风系统相对容易实现，在本世纪初得到发展。但连续系统的探测距离最大只有几百米。2004年，英国Nature Power公司研发出用于商用全光纤连续激光多普勒测风雷达（ZephIR），应用于陆地和海洋低空风廓线测量。该雷达在风能应用中有大量成功的案例。采用收发同轴的光学天线，利用电控楔形棱镜作为扫描装置，系统框架内置探测器和信号处理单元。为了解决没有使用移频器件导致辨别风向困难的问题，ZephIR使用外置风向传感器完成风向辨别。目前产品为ZephIR300，可应用于机载、陆地和海上测风，提供10m～200m（可任设10个高度层）的精确风资源数据（图8）。
图8 ZephlR激光多普勒测风雷达应用
随着对风场探测距离要求的不断提高和主振放大(MOPA)光纤激光器的快速发展，脉冲相干激光多普勒测风系统逐渐成为主流[34]。日本、美国、法国等国较早地开始进行1.5um 激光多普勒测风雷达的研究工作，技术较为成熟，并已经部分形成产品。2014 年，随着光纤激光器技术逐渐成熟，国际上逐步出现脉冲三维激光多普勒测风雷达产品，雷达的水平测量范围逐步增大到约10km级，但系统体积重量仍然较大（100kg量级），基本上为地基固定安装的台站使用方式。其中的典型代表为美国Lockheed Martin公司的WindTracer系列、WindImaginer系列，法国Leosphere公司Windcube 系列、英国Halo-photonics公司的Galion系列、日本三菱公司的ENRI等。
美国Lockheed Martin 公司于2015年研发了新的激光多普勒测风雷达WindImager。该雷达减小了尺寸，重量和功耗，基于全光纤和模块化架构（图9）。这种紧凑的模块化系统能为测风和尾涡探测提供移动性、可靠性和便利性。该测风雷达已完成各种大气条件下验证测试（图10 所示）。
图9 Windimage激光多普勒测风雷达系统的架构
图10 Windimage激光多普勒测风雷达实物图与验证测试图
自2004年成立至今，法国LEOSPHERE公司在全球范围内已经设计、生成和安装使用了超过400台激光多普勒测风雷达系统，系统被广泛应用在各种环境条件下。2014年研制的Windcube400s采用窄线宽脉冲光纤激光器，激光峰值功率2kW，光学系统有效口径φ40mm，采用四波束的扫描方式，目前最远测量距离达12km，可用于对飞机尾涡流的探测、机场空中交通优化、风能利用、大气研究、气象气候监测等（图11），已在图卢兹、尼斯、戴高乐、索契等机场使用]。
图11 Windcube 400s实物图及机场测试结果
由于国内光纤器件制造工艺的逐步提高，以及机场飞行安全、风力发电、气象观测、环境监控等对风场测量需求的日益增多，我国相干探测激光多普勒测风雷达的技术水平得到了迅猛的发展，国内从事相干探测激光多普勒测风雷达研究的主要研究机构有西南技术物理研究所、中科院上海光学精密机械研究所（简称：上海光机所）、中科院安徽光机所、中国海洋大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学等。目前，国内激光多普勒测风雷达产品主要包括南京牧镭激光测风雷达、青岛航天海鹰激光测风雷达以及西南技术物理研究所的三维激光测风雷达等。2016年，南京牧镭科技有限公司依托上海光机所，面向风电行业，推出了民用低空激光多普勒测风雷达产品Molas B300，可实现40～300 m 风场信息测量。图12为Molas B300实物图和某地实际测试现场图，MolasB300为风电场提供前期微观选址服务，观测数据用于评估该区域风资源储量，为风电场设计提供数据支撑。
图12 Molas B300及风电行业应用
经过多年的技术研究和发展，国内相干探测激光多普勒测风雷达的软硬件技术与国外差距减小。但是，商用产品不多，商用激光多普勒测风雷达市场主要被国外几家厂家占有。采用国外产品售价高，采购国外产品成本高昂，且国家气象大数据存在泄漏的隐患。因此，加快开展工程研制和应用，加快开展工程研制和应用推广，推出更多种类的激光多普勒测风雷达产品是国内急需解决的问题。
四、发展与展望
⒈低成本、高功率窄线宽光纤激光器光源越来越占主导地位
由于光纤激光器光路结构紧凑、价格相对便宜、体积重量功耗小的特性，采用高重频光纤激光器为光源的激光多普勒测风雷达逐渐成为研究热门。
用于相干探测的窄线宽光纤激光器常采用多级MOPA (Master-Oscillator Power Amplifier)工作方式来获得所需的窄线宽、宽脉宽、高重频、高峰值功率的稳频激光脉冲输出。如图15 所示，采用高稳定低功率的连续波DFB( Distributed Feedback Laser)光纤激光器作为种子光源，通过声光调制及多级全光纤放大光路，可实现10kHz 以上的高重频、宽脉宽（数十ns 到数百ns 可控）、脉冲能量可逐级放大。该类激光器不仅具有体积小、寿命长、结构紧凑，易于集成等优点，而且还具有免调节、稳定性高，抗恶劣环境能力强等特点。由于技术的不断发展，稳频光纤激光器的频率稳定性越来越高，线宽越来越窄，在相干探测领域中将得到越来越广阔的应用。随着光纤激光器技术的发展，尤其大纤芯多包层光纤以及光子晶体光纤技术的发展，窄线宽脉冲光纤激光器的输出能量越来越高，在远程激光相干探测多普勒测风雷达中将得到进一步的应用。
图13 MOPA结构的光纤放大器示意图
⒉多功能复合大气探测系统需求越来越强烈
近年来，多功能复合大气探测系统越来越受用户青睐，用户不再满足某一产品单一功能，“一机多能”是激光多普勒测风雷达的发展趋势，对多种大气参数（如风、温、湿、压）进行准确遥测的装备需求越来越强烈。因此，在激光多普勒测风技术上，可叠加额外的功能，实现多样式、多元素的探测。比如，ALOMAR观测站RMR 雷达、中国科学技术大学的车载瑞利多普勒测风雷达以及美国科罗拉多大学chu教授课题组基于Na双边缘技术的测风激光雷达均具备对风场和温度持续观测的能力，为解决大气科学研究上的难题提供了技术手段。
除了“一机多能”外，多种体制复合探测激光多普勒测风雷达也是研究热点。近二十年来，美国致力于研究从地球轨道测量全球风速，正在研究的GWOS系统同时使用2um波长相干探测和355nm波长直接探测方法，通过两个激光雷达子系统之间共用同一望远镜来实现多视角的改进。一方面相干探测技术非常适合检测对流层低层的气溶胶反向散射信号，但可用带宽不足以检测分子信号。另一方面，使用直接探测技术检测分子信号可以使得其在更高海拔处具有更高的灵敏度。通过两种技术的互补，可以增加测程，完成全球风速的测量。
为了适应多样式、多元化气象探测需求，未来的激光多普勒测风雷达越来越趋向于发展多承载平台、多功能大气环境遥测复合系统，实现对大气的多种参数测量，满足多种应用需求。
⒊数据多源融合、多观测设备组网实现更全面、更系统的观测
激光多普勒测风雷达的应用上越来越趋向于组网观测。单一的激光多普勒测风雷达可以实现局部地区的风场信息探测。如果要发挥更大的价值，区域数据更有意义。通过激光多普勒测风雷达分布式组网探测，不仅可以实现信息互联，还能与现有的卫星，气象台站互联，形成组网应用，可获得区域性气象数据，进一步建立气象数据服务平台，实现气象大数据挖掘和多源数据融合，可为危险天气预警、风场资源评估、大气粒子形态识别、大气污染条件分析、人工影响天气辅助决策及军事活动等具体应用提供数据保障业务。
五、结束语
激光多普勒测风技术是实现对远程大气风场进行精确描述的一种可靠手段，能对大气风场的三维分布快速遥感测量。直接探测与相干探测技术均有各自的特点与适用范围，二者相辅相成，近年来都得到了快速发展。未来发展趋势之一是采用低成本、全光纤结构来实现雷达系统的紧凑小型化，扩大应用范围。此外，激光测风技术未来的发展方向同其它大气遥测手段进行多功能复合，实现对大气多种参数的遥测。目前，我国激光测风技术同国外差距逐渐减小，相关研究机构需进一步突破关键技术，以现有技术带动系统应用，将新技术投入应用并实现产品技术更新，逐渐占领市场。激光多普勒测风雷达搭载平台正在向多样化、探测功能多元化、探测设备集成化、应用场景网络化。未来，激光多普勒测风技术将在飞行安全、数值天气预报、灾害天气防治、空间天气气候态势分析、风力发电、军事上等应用中发挥更大的作用。
【作者简介】文/马福民 陈涌 杨泽后 周鼎富 李晓锋 陈春利 冯力天 余臣，分别来自海军装备部西安地区军事代表局、西南技术物理研究所和北京理工大学物理学院；第一作者马福民，1972年生，男，高级工程师，主要从事装备监造工作；本文为基金项目，四川省重大科技专项课题(2018TZDZX0006)、中国兵器工业联合基金项目（6141B010254）；文章来自《激光与光电子学进展》（2019年网络首发版），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”平台整理。
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