1、LiDAR测风原理
1.1 激光雷达测风的基本原理
激光雷达（Light Detection And Ranging, LiDAR）测风的基本原理，可以概括为“发射-接收-反演”三个步骤：
- 发射激光脉冲：向大气中发射一束高功率、窄脉宽的激光。
- 与气溶胶相互作用：激光在传播路径上遇到大气中的气溶胶粒子（如尘埃、水滴、盐粒等），发生散射。其中一部分光会沿原路返回（后向散射）。
- 接收并分析回波：望远镜接收后向散射信号，通过分析回波信号的频率变化（多普勒频移）或时间延迟，反演出风速和风向。
核心逻辑：气溶胶粒子随风运动，其运动速度即为风速。激光雷达通过测量粒子的运动速度，间接获得风速。
1.2 多普勒频移效应
多普勒频移是LiDAR测风的物理基础。当激光照射到运动的粒子时，反射回来的光频率会发生偏移：
- 粒子朝向雷达运动：回波频率 升高（蓝移）
- 粒子远离雷达运动：回波频率 降低（红移）
频移量 \(\Delta f\) 与粒子径向速度 \(v_r\) 的关系为：
\[ \Delta f = \frac{2 v_r}{\lambda} \]其中：
- \(\Delta f\)：多普勒频移（Hz）
- \(v_r\)：粒子沿激光束方向的径向速度（m/s）
- \(\lambda\)：激光波长（m）
注意：LiDAR只能测量激光束方向上的风速分量（径向风速）。要获得完整的三维风场，通常需要采用多波束扫描（如VAD、DBS扫描模式）或使用多台LiDAR联合观测。
1.3 相干探测与非相干探测的区别
根据回波信号的检测方式，LiDAR测风系统分为两大类：
| 对比项 | 相干探测（Coherent Detection） | 非相干探测（Incoherent / Direct Detection） |
|---|---|---|
| 核心原理 | 利用激光的相干性，将回波信号与本振光进行混频，通过外差检测提取频移 | 直接测量回波信号的强度或光谱分布（如使用法布里-珀罗干涉仪） |
| 测量对象 | 直接测量多普勒频移 \(\Delta f\) | 测量回波光谱的展宽或中心波长偏移 |
| 激光器要求 | 需要窄线宽、高相干性的激光器（如1.5μm光纤激光器） | 对激光器相干性要求较低，可使用宽线宽激光器 |
| 灵敏度 | 极高，可探测微弱信号，适合远距离（>2km） | 较低，通常需要更强的回波信号，适合中近距离 |
| 典型波长 | 1.5μm（人眼安全）、2μm | 355nm、532nm、1064nm |
| 主要优势 | 高信噪比、全天候工作、可测弱风 | 结构相对简单、无需本振光、对振动不敏感 |
| 主要劣势 | 系统复杂、成本高、对光学对准要求苛刻 | 信噪比低、受背景光干扰大、测风精度较低 |
| 典型应用 | 机场风切变预警、海上风电、高空风场探测 | 大气边界层研究、污染扩散监测 |
关键区别总结：
- 相干探测：利用光的“相位”信息，通过混频放大信号，灵敏度高，是目前商用测风LiDAR的主流技术。
- 非相干探测：利用光的“强度”或“光谱”信息，结构简单，但灵敏度受限，多用于科研或特定场景。
实战提示：在课程后续的“数据采集与质量控制”章节中，你会看到相干探测LiDAR的数据通常具有更高的信噪比和更低的缺失率，尤其是在低气溶胶浓度（如晴空、高海拔）环境下，相干系统的优势更为明显。