基于光的方法提高了远程风测量的实用性和质量

研究人员开发了一种基于光探测和测距(LIDAR)的新型遥感仪器，可以提供一种简单而稳健的方法来精确测量风速。详细的实时风测量可以帮助科学家更好地了解飓风的形成方式，并提供气象学家可以用来更早确定登陆的信息，让人们有更多的时间准备和撤离。

“随着飓风哈维走近，飓风猎人直接飞入风暴并放下传感器来测量风速，”科学技术大学(USTC)研究团队负责人窦康康表示。“我们的多普勒激光雷达仪器可用于从飞机上远距离测量具有高空间和时间分辨率的飓风。未来，它甚至可以从卫星上进行这些测量。”

风测量对于确定安全飞行条件，了解污染如何在空中移动以及如何有效地运行风力涡轮机也是至关重要的。现有的高精度风测量技术可能昂贵且难以操作，导致这些技术在其最有用的情况下的应用存在差距。

“我们展示了一种具有简化光学布局的多普勒风激光雷达，这也大大提高了系统的稳定性，”Dou说。“虽然通常需要专家来操作和维护先进的多普勒激光雷达，但我们相信我们可以将我们的方法发展成一个像智能手机一样易于使用的系统。”

在光学学会(OSA)期刊Optics Letters上，研究人员展示了他们的多普勒风LIDAR系统能够高精度地测量水平风速，并表明系统在整个10天的测试期间保持稳定。研究人员表示，与先前开发的直接探测多普勒风激光雷达相比，这种新系统的稳定性和准确性代表了实质性的改进。

激光雷达的一个重要应用是在航空领域，它可用于飞机或地面站远程测量空气运动。新系统的垂直空间分辨率为10米，可以测量小型风现象，如风切变和飞机产生的尾流紊流。更好地了解这些现象可以通过优化起飞和着陆期间飞机之间的分离来提高飞行安全性并增加机场容量。

用光来测量风

LIDAR是一种遥感方法，用于创建高分辨率地图，扫描海底的底部并引导无人驾驶汽车。为了测量风，激光雷达系统发出激光脉冲，通过大气传播，与分子和气溶胶相互作用。少量的光线向LIDAR仪器散射回来，在那里它被望远镜收集。当风导致空气移动时，这会导致设备可以检测到的多普勒频移。

研究人员设计了一种双频直接探测多普勒风激光雷达，它使用发射1.5微米光的激光。因为该波长通常用于光通信网络，所以它们能够使用商业上可获得的光纤部件来构建系统，每个光纤部件将多个光控部件组合成单个设备。因此，LiDAR系统的全光纤结构可以抵抗振动和粗糙的操作处理。

与之前开发的系统相比，新的简化设计使配置和对齐每个组件变得更加容易，增加了稳定性并降低了系统内的光损失量。新系统初始化后也无需校准，无需特殊的眼睛保护。

“对于将在现场全职操作的激光雷达系统，眼睛安全是一个重要的考虑因素，”科技大学量子激光雷达实验室的主要调查员海云霞说。“幸运的是，我们使用的1.5微米激光在0.3到10微米的波长范围内表现出最高的眼睛安全暴露。”

1.5微米波长也是卫星大气风传感的理想选择，因为与紫外和可见波长相比，它对大气干扰和太阳和其他来源的光学污染的敏感性较小。基于卫星的风测量用于天气预报和气象研究。“太空多普勒风激光雷达现在被认为是满足全球风力数据需求的最有希望的方式，并填补了其他方法提供的风力数据的空白，”夏说。

升级的光学元件

新型多普勒风激光雷达的光学设置仅包含一个激光源，一个探测器和一个单通道法布里 - 珀罗干涉仪，可将多普勒频移转换为反向散射信号的光子数变化。使用由光纤制成的法布里 - 珀罗干涉仪而不是由许多单独的光学元件组成的干涉仪使得该系统坚固且稳定，足以用于诸如飞机或卫星之类的恶劣环境中。

新系统还包括可用于单光子计数的最快探测器之一，超导纳米线单光子探测器(SNSPD)。与通常用于检测1.5微米光的InGaAs雪崩光电二极管相比，该探测器改善了LIDAR的性能。

“SNSPD的高检测效率和低暗计数率意味着可以以高信噪比检测来自后向散射光的微弱信号，”Xia说。“SNSPD的另一个吸引人的特点是它的高最大计数率，这有助于避免探测器饱和。”

研究人员通过首先检查校准后的稳定性来测试他们的系统。总的来说，在实验室中，系统的测量值在10天内每秒变化不到0.2米。然后，他们在户外对系统进行了测试，并将其水平风测量结果与超声波风传感器(一种用于测量风的非远程系统)的测量结果进 平均而言，LIDAR测量值分别为每秒0.1米和风速和方向1度。

研究人员正在努力提高多普勒风激光雷达系统的空间分辨率，并希望使其在现场使用更加实用。他们还成立了一家公司，以进一步开发该系统，并计划明年推出商业版本。

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