Application and development trend of shipborne wind lidar

海洋占地球面积70% 以上，作为孕育人类生命的摇篮，蕴藏着无尽的资源和秘密，大洋深处曾经是人类的禁区，如今却越来越成为人类的希望，也越来越成为世界各国争夺的目标。作为国家领海及海洋战略发展的守护与保卫者，海军舰船的作战能力及航行安全保障是一项重要的工作。随着辽宁舰、山东舰等的服役，未来我国海军舰载飞行器会越来越多，海军对舰船气象保障的要求也会越来越高。

海洋大气水文综合环境信息包括风、气温、湿度、气压、水文、流水、海盐等多要素，其中海面中低空大气风场具有复杂性，存在急流、风切变、湍流、下击暴流等威胁航空器飞行安全的气象因素。此外，舰船在海洋航行时，由于舰船上层建筑及庞大躯身所引的起大气流场改变，导致舰面及舰船艉部等的大气风场呈现各种尺度及形状的乱流，产生不同强度的风切变，对舰载飞行器的起降安全将产生直接的威胁。在航空气象学中，600m以下空气层中风向和风速突然改变的情况称为低空风切变，低空风切变由于发生突然、时间短、尺度小、强度大，当质量和惯性都较大的飞机遇到低空风切变时，由于飞行高度太低，缺乏足够的空间与实践进行机动而发生事故。因此, 低空风切变是航空界公认的飞机在起飞和着陆阶段的“杀手”^[1-3]。

相对于地面固定机场环境，舰船起降场地很小，且存在多自由度的运动，舰船周边产生的风切变对飞行器起降安全影响更为剧烈。据相关资料显示，在海面航行的舰船，大气紊流情况比较复杂，如航行中舰首处出现上洗气流、在舰尾处出现公鸡尾状气流，以及在舰船上层建筑后因陡壁效应在甲板上方产生复杂的紊流等，且这些乱流随航向、航速及环境风场的变化而复杂变化，形成的风切变对离舰进舰的飞行器将产生不利影响，并增加发生航向偏离、姿态失控等的概率；此外，舰船上起降距离及面积小，舰船受风浪影响会有6个自由度的摇晃，特别是高海况下甲板起伏高度差可达数米以上，上述恶劣环境对起降安全影响极大，因此在舰船上航空器的起降被称为在“刀尖上跳舞”的行为。据统计，在舰船上起降，直升机飞行员遇到生命危险的概率约为宇航员的5倍，约为喷气轰炸机飞行员的10倍，约为民航飞行员的54倍^[4]。因此，为保证舰船飞行器的安全，对舰船周边尤其是起降舰面及舰艉的空气流场特性进行高精度测量，据此指导飞行器的起降作业，对于舰船保障飞行安全和提升作战能力等，都具有重要的意义^[5]。

针对舰船舰面大气流场的检测，国内外采用了多种办法，包括理论建模仿真、风洞、舰面拉烟、测风杆(阵)测量等^[6-7]。但由于海洋大气环境的不确定性，以及舰船运动形态的多样性，上述方式获得的舰面及舰艉的大气流场信息虽然能对舰船航空飞行器飞行安全包线的确定能起到一定程度的指导作用，但难以对多种海况下的复杂流畅进行有效描绘，因此，在线对舰船周边大气流场进行实时测量，为航空器起降提供精准的流场信息，是舰船航空气象保障的重要任务^[8]。

激光测风雷达是现代激光光电技术与传统雷达技术相结合的产物，是近年来发展起来的一种新型大气风场探测手段，能够连续、实时、准确获取大气3维风场数据，具有测量时空分辨率高、精度高、抗干扰能力强等特点，可用于对大气风场的实时精细测量，是实现对风切变、湍流和飞行器漩涡流等大气流场监测预警的最为有效手段，近10年来已经在民航、气象、环保等多领域逐步得到应用，技术逐步成熟^[9]。将激光测风雷达应用到舰船上，有效获取舰船周边大气流场高时空分辨信息，是提升舰船航空飞行器在高海况条件下的安全起降保障能力的重要手段, 具有重要应用需求与潜力。

自20世纪70年代科学家采用光学多普勒技术来实现对速度测量以来，基于该技术衍生出的激光测风技术已经越来越多地应用于各个领域。大气中气体分子、气溶胶等示踪物的群速度反映了大气风速，雷达向空中发射激光波束，沿光束传播途径上的示踪物会对激光波束产生米氏散射效应，并在散射回波信号中叠加运动多普勒频移。由于激光视线方向的粒子运动速度与该多普勒频移存在着固定关系：Δf=±2v/λ(其中Δf为多普勒频移，v为粒子沿光束方向的径向速度，λ为激光波长)。因此，雷达系统通过对回波信号的鉴频处理与计算，并结合多波束光机扫描及风场反演，可实现大气风场分布测量^[2]。测量原理如图 1所示^[2]。

根据鉴频方式的不同，激光测风雷达主要分为相干探测和直接探测两类探测体制，两者均采用激光多普勒原理来实现对沿激光束方向的径向风速度矢量的测量，并通过系统在空间多种形态的波束扫描，来实现对风速、风向以及风场分布的测量与描绘。两者最大差别在于获得径向风速度矢量方式的不同，也即对多普勒频移的鉴频方式的不同。

其中直探技术主要是通过对大气散射回波信号强度的接收，并通过窄带光学鉴频器的鉴频来实现对多普勒频移的检测。该技术的优点是大气分子和气溶胶颗粒均可为雷达测量的示踪物，系统可用在高层大气及气溶胶浓度少地区的大气风场测量；但主要缺点是探测灵敏度及精度较低，波束测量时间相对长，系统稳定性及可靠性差，多采用短波(波长1μm及以下)激光器为光源, 导致系统的人眼安全性差且系统易受背景光的干扰^[10]，目前未见到有工程型号产品。另外，近年来，中国科学技术大学开展了采用了量子转换技术和单光子探测技术的激光测风雷达研制，该技术是以气溶胶为示踪物，在系统中采用了量子频率上转换及单光子探测技术，可以有效提高系统的探测灵敏度；此外系统中采用人眼安全的光纤激光器做发射光源，可以在一定程度上降低直探式雷达的体积重量，在技术上具有一定的创新性^[11-12]。

相干探测技术主要是采用对散射回波的光学相干拍频及信号数字鉴频等技术来实现对散射回波信号多普勒频率的检测，主要优点是探测灵敏度高、测量精度高、波束测量时间短，测量精度受环境影响小，系统体积重量小，可靠性高，多采用人眼安全的激光源，目前在多种平台上已经有较多的工程型号应用。由于采用相干体制的激光测风雷达工作示踪物为气溶胶颗粒，气溶胶浓度的变化对激光测风雷达的性能有一定影响，在气溶胶浓度低的场合工作性能将会受限。

大气气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物组成的体系，尺度一般介于0.001μm~100μm之间，主要集中在2km边界层高度范围以内，且密度随高度大致成指数衰减，形成原因分为自然源及人为源，其尺度、浓度、成分及谱分布等随季节气候、地理及气象环境等的变化而变化，对大气活动影响较大^[13]；持续降水过程对气溶胶产生湿沉降作用，也将导致大气中气溶胶浓度的显著降低；此外，大气中的云层遮挡、浓雾等环境，还将对激光产生较强的吸收，导致激光的穿透能力降低。上述因素都将对激光雷达性能产生影响。

对于在海洋中应用的舰船相干激光测风雷达，主要示踪物为海洋气溶胶，该种气溶胶的来源多样，其中在近海区域主要成分包括由陆地输送的各种气溶胶，以及海洋活动生成的海盐气溶胶；而在远海区域，气溶胶的主要成分是海水泡沫破裂飞溅物随风形成的海盐气溶胶，并会随风在边界层形成一定的浓度分布，气溶胶的散布速度及高度与风呈一定的正相关^[13]。国内相干激光测风雷达随船的试验数据表明，降水会对激光测风雷达的测程产生较大的影响。但在连续长期降水结束后的晴天下随着时间增加气溶胶浓度提高，雷达的性能也会逐步恢复，在近海的恢复时间较快，在数小时时间尺度；而在远海雨后小风或静风情况下，雷达的恢复期需要约几天甚至更长；但在风速较大(4级以上)的情况下，随风刮起的海水泡沫破裂飞溅物形成的气溶胶浓度较高，尤其是高海况下，雷达恢复期与近海及陆地相似。因此，采用相干体制的舰船激光测风雷达，实际中可满足远、近海一定海况及天气环境下的航行及航空气象保障应用需求。

相干探测体制的激光雷达有连续相干和脉冲相干两种技术途径，其中连续相干是采用光学天线将激光束调制并聚焦到待测区域，通过对回波信号的相干混频及数字鉴频处理，来得到该测量点的径向风速度矢量。连续相干体制非常适合近距离的风场探测，具有盲区小(数米)、距离分辨率高、单点测量时间短、测量精度高等优点，但该体制只适合近程测量，且由于存在光束聚焦的行为，在人员密集区域需要考虑安全性问题。对于脉冲相干工作方式的激光测风雷达，可实现对测程范围内各距离门风矢量的一次性测量，是目前的技术主流。但由于受发射的激光脉冲宽度、以及雷达回波中频信号频谱信息处理等的限制，导致系统较大的测量盲区(一般为30m~50m)，空间物理分辨率也较大(如不小于30m)^[14-15]。

鉴于海洋及舰船应用环境的复杂性，以及航空保障的特殊性要求，目前舰船激光测风雷达多采用相干探测体制，主要以海盐气溶胶为示踪物，以人眼安全的1.5μm波段(激光波长需考虑水汽吸收及气溶胶特性)光纤激光器为照射光源，采用小型化结构设计，系统自带光束扫描及伺服稳定控制能力，接收载舰的导航信息，可实现在舰船移动平台下的波束自稳定及测量修正，并同多模式波束扫描，实现对舰船上空及周边可视范围内的大气风场及流场分布的快速测量^[16-17]。图 2为激光测风雷达基本工作原理图^[3]。

图 2中，种子激光器输出的线偏振激光由分束器一分为二，一路作为本振信号光，另一路经声光调制器(acousto-optic modulator，AOM)后成为高重频的激光脉冲，注入到脉冲光纤放大器(erbium doped fiber amplifiers，EDFA)中进行功率放大，放大的激光脉冲经光学环行器后，由光学收发天线及双轴扫描系统后发射进入空中。激光束在前进过程中与大气气溶胶颗粒相互作用，米氏散射后向回波信号沿原路返回，由接收天线收集后，再经过光学环行器耦合进入相干光纤光学系统，与本振光进行相干混频。相干混频光由平衡光电探测器进行光电转换及检波放大，中频信号送入信号采集及处理系统中，经过一系列信号处理操作，最后计算出该指向波束各距离门的径向风速度、谱宽、信噪比等参量。雷达系统同时通过双轴扫描进行配合，可实现对指向空域范围多角度波束扫描，同时通过对各风矢量在空间上的分解与合成处理分析等方法^[18]，最终可反演获得指定区域的风场信息。在此基础上，可以进一步对风场结构进行综合分析，获得风切变等二次大气风场数据产品。

从20世纪60年代起, 国际上便开始采用光学手段通过多普勒频移来实现对流体速度测量，并随后逐步开始了采用激光对大气风场测量的技术研究工作。1970~1990年代的激光雷达采用CO₂气体激光器作为光源，在地基、车载、机载等场合有较多应用研究，但因系统体积大、维护体验差，导致应用效果较差。从20世纪90年代开始，随着固体激光器技术发展，激光雷达技术逐步得到较大发展。在90年代后期，美国相干技术公司(Coherent Technologies Inc, CTI)(现被洛克希德·马丁公司收购)的Wind Tracer相干多普勒3维激光测风雷达已经在美国国防部、美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)、联邦航空局(Federal Aeronautics Administration, FAA)等多个部门服务。2002年, Wind Tracer应用于香港国际机场，并于2005年正式投入业务应用(见图 3)。这是世界上第1部应用在民用机场进行风切变探测和自动预警的多普勒激光测风雷达^[19]。该系统采用脉冲式相干2μm红外固态激光器为照射光源，并通过香港天文台自主研发的飞机下滑道扫描风切变探测运算程序和径向风切变探测运算程序，实现风切变自动探测和预警^[20]。后期美国丹佛机场、拉斯维加斯机场、英国希思罗国际机场、日本成田国际机场、法国戴高乐机场以及意大利Palermo机场等许多大型机场都逐步引入3维激光测风雷达进行低空风切变的预警。应用数据表明：其对风切变探测捕捉率均达90%以上，有力地保障了航空安全。激光测风雷达由于其高分辨率、不受地物杂波干扰、不干扰正常导航系统，可探测晴空条件下的危险天气等较传统气象雷达的优越性，在机场具有广阔的应用前景。

使用2μm固体激光器的激光测风雷达在进一步降低体积重量方面仍存在较多困难，近年来，美国等也陆续开发了采用1.6μm波段激光器的激光测风雷达来逐渐取代2μm的激光测风雷达，可以适当减小系统的体积重量，但在系统小型化方面，仍存在一定困难。近10年来，随着光纤激光器技术的迅速发展，由于采用1.5μm波段光纤激光器的激光测风雷达在系统体积重量、功耗及可靠性等方面的巨大优势，此外该波段在通信领域的成熟性，使得采用光纤激光器的激光测风雷达得到迅速推广应用，并逐渐走向成熟。

法国Leosphere公司从2004年开始，开发出了一系列WindCube激光测风多普勒雷达系统产品，近年来又开发出3维激光测风雷达系列(S100/S200/S400)。系统采用1.54μm的人眼安全窄线宽脉冲光纤激光器，采用2维扫描机构，实现对上半球空域的覆盖测量^[21](见图 4)。

日本三菱公司2005年研制出可单人携带的小型全光纤脉冲测风雷达，后继续开展了远程激光测风雷达研究，并研制出远程3维扫描激光测风雷达具有风廓线、平面位置指示(plan position indicator, PPI)、距离高度指示(range height indicator, RHI)等多种扫描，目前在民航系统上有较大的市场前景^[2-3]。

针对海洋及船载激光测风雷达应用，从21世纪初开始，英、美、法等国陆续开展了海上运动平台的激光测风雷达技术研究，早期做法是将陆基激光测风雷达作为一个整体安装在一个运动伺服稳定平台上，并通过组合惯导获取船舶的航向等信息并进行风场数据校正。美国国家海洋及大气总署(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)于2004年采用2μm激光测风雷达在海上与多种探测设备进行了比对试验，将激光测风雷达与探空气球、雷达风廓线、声达等进行综合比对^[22](见图 5)。WOLFE等人对在海上应用具备运动补偿能力的相干激光测风雷达进行海上风场测量试验与分析，结果表明, 激光测风雷达数据实时性强，通过对船体的姿态补偿，激光雷达的测量精度及测量实时性等性能能够得到有效保证，且激光雷达能对风廓线雷达的低空测量区域进行有效补充^[22]。

此外，HILL等人在2005年及2008年采用惯性导航仪对相干激光测风雷达的风场测量结果进行了姿态修正和速度修正^[23-24]。ACHTERT等人在开阔海域大风速下采用姿态稳定平台的相干激光测风雷达进行测量，其测量结果风速标准差为1.2m/s, 风向标准差为10°^[25]。2010年左右, 德国Fraunhofer风能系统技术研究所(Institute of Wind Energy Systems, IWES)将WincubeV2激光测风雷达装于船上，与其它测风系统一起进行了长期海上测风试验，能有效获取400m以下风场数据^[26](见图 6)。日本三菱公司也于2012年前后将3维激光测风雷达在海上进行了较长时间的观测，对1550nm激光测雷达在海洋环境下性能进行了研究。

在军用领域，美国海军希望用相干激光测风雷达来替代传统的甲板测风仪，以了解飞行甲板上空、舰载机起降路径等更广阔区域的风场情况，从而对风切变、乱流、微下击暴流等有害风场进行实时监测预警。美国国防部2007年报道了CTI公司Wind Tracer相干3维激光测风雷达系统在美海军航母上进行应用，但报道中并未提及应用细节。同时，美国海军还将推广Wind Tracer系统到中小型水平舰艇上，为直升机和无人机的起降提供保障。

国内关于船载激光测风雷达的报道较少，中国海洋大学的WU团队在2014年在“东方红2”科考船采用相干激光测风雷达进行了海上测风试验，并与无线电探空仪的风场测量数据进行了对比，二者具有较好的一致性^[16]。西南技术物理研究所在2015年研制出具备舰船运动环境下实时姿态和速度修正能力的船载小型3维激光测风雷达样机，能进行风廓线、PPI、RHI等多种风场扫描，以及风切变告警等能力; 2016年至今，多款改进型的实用化雷达先后多次随“向阳红”、“远望”、“海调”等舰船在中国各大东海、南海、太平洋、印度洋等海域进行长期的海上应用验证，航程超过十万海里; 期间与其它多种探空手段进行了比较，并对激光测风雷达在不同海域多种海况下的环境适应性、测量威力、功能性能等进行了充分验证(见图 7)。

舰船激光测风雷达，主要用于舰船航行中对舰船周边大气风场测量，以及舰面或特定区域位置的大气流场分布的测量，为舰船航行及航空飞行器的安全起降提供重要的气象保障^[19]。该雷达具有二轴伺服稳定控制能力，可实现对舰船纵横摇及运动的隔离，具有多普勒波束摆动(Doppler beam swing, DBS)、速度方位扫描(velocity azimuth display, VAD)、PPI、RHI、等高平面位置指示(constant altitude plan position indicator, CAPPI)等多种扫描策略，可在舰船运动平台上实现对上半球空域的波束扫描覆盖，系统通过组合测量及数据产品的融合计算，可实现对舰船上空或舰面指定位置的风场廓线分布、周边的近水平风场分布、近场舰面3维流场分布、舰船尾部区域下滑道迎头和侧风及相应的风切变等多种信息的快速获取。

舰载激光测风雷达采用脉冲相干体制，工作时存在盲区与分辨率的限制，且盲区与分辨率同舰船的尺度一般具有可比性。而雷达在舰船上的安装位置有限，视界受舰船上层建筑的影响较大，因此，需要根据雷达在舰船上应用的主要保障目的，来对雷达在舰船上的安装位置、配置方式及工作模式等进行优化设计。

雷达的多种工作模式中，风廓线探测为常用的一种工作模式，雷达主要采用DBS、VAD等扫描策略，用于对舰船顶空区域，或舰船指定位置处从近甲板面到中低空大气风场廓线的测量，实现对大气流场波动特征情况进行连续监测，对其进一步的数据分析可对舰船所处环境的急流、乱流、下击暴流、垂直风切变等危害性天气进行预警。

PPI和RHI扫描是指雷达以某个固定仰角或固定方位角进行圆周或俯仰扫描探测，数据产品包括径向速度、谱宽、水平风场信息、流场垂直分布信息等。可通过产品来分析舰船周边及上空对应的风场水平及内部垂直结构分布特征，是实际航空气象业务中应用非常广泛的产品。

下滑道扫描是雷达依据起飞/着陆仰角，对起降通道附近进行波束集中快速锥形摆动扫描，在扫描过程中雷达的俯仰角和方位角同时变化。该扫描主要用于对起降轨迹沿线气流分布特征进行测量，并根据测量结果对监测范围内相对飞机的迎头风与侧风分量进行快速监测，可快速识别是否有风切变等危害性信息。

舰船上层建筑对舰面上大气流场产生扰动，在高海况下舰面及舰尾大气流场异常混乱。由于舰面尺度较小，在很小空间尺度上大气流场会产生较大的变化，且这种变化会随舰船移动及海面风场的变化而变化。因此，需要对雷达系统光路、部件工作参量、信息处理方式及应用模式等进行优化设计，以尽量降低测量盲区、提高空间分辨率，并缩短单波束测量时间等。此外由于舰体在行驶过程中还存在航行方向、移动速度及姿态和垂荡等的不断变化，导致风向风速基准不断变化。雷达需要根据综合导航信息，对单波束测量结果进行实时修正，并针对雷达的工作模式不同，对风场的扫描方式及路径进行优化设计，以及对风场反演结果进行修正及质量控制，以提高测量精度。

海洋环境与陆地环境有较大的差别，在系统小型化、雷达在海洋及舰船工作环境，尤其是高温、强冲击、电磁环境及系统工程可靠性要求等方面，相比于陆基环境都有很大的提高。因此，需要重点针对应用需求，从雷达的结构形式、海洋环境雷达探测有效性、雷达安装位置、工作模式、舰船工作环境适应性等方面进行综合考虑，并结合现有的技术条件与基础，确定并优化系统的总体技术及实现方案。

由于舰船随海浪存在6个自由度的运动，且大气流场的“体目标”特性，导致激光测风雷达在运动环境易产生“晕船”。需要重点对舰船-雷达运动适配性及应用模式，依据雷达的工作环境，建立相应的预测与控制模型，并提供相应的软硬件支撑，保证雷达在高海况下的正常工作。

海洋环境远比陆地环境复杂，由于舰船环境及应用需求的特殊性，舰船载激光测风雷达在安装及使用中会受到多种因素的制约，一般的地基激光测风雷达难以在舰船上直接投入业务应用。随着激光测风雷达技术的发展，以及未来各型舰船中航空器的上舰应用需求的逐步提升，舰船激光测风雷达技术将逐步朝如下几个方向发展。

低盲区、近程高时空分辨及高精度测量能力是舰船激光测风雷达的未来需求，可实现对舰面狭小空域大气流场的高精度快速3维测量。需要从雷达的工作体制、信息处理方式、3维风场重构算法技术及雷达应用模式等方面进行攻关。

随着激光技术中新型材料及工艺技术等的发展，激光器、相关光电元器件及处理芯片等的性能逐步提升，并逐步朝小型模块及波导集成化等方向发展；将直接推动激光雷达核心光电部件的小型化。未来雷达的体积、重量、功耗等将有较大的降低，形成传感器的小型模块化。

由于舰船环境大气风场的复杂性，要求激光雷达具有多模式功能能力；同时未来雷达技术研究中还应该通过模式集成、底层数据挖掘及算法等技术，实现舰船环境多气象水文要素的测量；并可根据应用环境及舰船信息的变化，自动调整工作参量、模式及数据产品内容等，实现雷达的智能化工作。

随着辽宁舰、山东舰的服役，未来我国海军舰载飞行器会越来越多，海军对气象保障的要求也越来越高。激光测风雷达能够连续、实时、准确获取大气风场数据，具有测量精度高、实时性强的特点，可对大气中的中低空风场、风切变、云层运动分布等进行监测。利用舰载激光测风雷达提升舰载航空器的气象保障水平是大势所趋。

随着激光测风技术的不断发展和相关应用的持续深入，舰载激光测风雷达的研究和应用将会更上一层楼。