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【摘 要】近年来随着民航行业的快速发展，对危险天气特别是低空风切变的气象服务及时性与准确性要求越来越高，促进了先进探测设备激光测风雷达在国内机场的应用。民航甘肃空管分局气象台在使用LEOSPHERE公司WINDCUBE400S-AT型及试验验证其它厂家激光测风雷达工作期间积累大量应用经验。本文从相干激光测风雷达的技术实现对比入手，然后对相关的指标体系进行详细分析和论证，对今后如何科学和合理地选择与应用设备有所帮助。
1.激光测风雷达的主要性能指标
激光测风雷达以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气（气溶胶粒子和大气分子）的后向散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速和风向。因此一部性能优越的激光测风雷达应该具备相干探测要求带宽窄;高脉冲能量实现远程探测;长脉冲宽度保证高速度分辨率;高重复率稳定度保证速度偏差较小。考虑在民航气象应用中的高精确度要求，需要激光测风雷达具备较高的探测灵敏度和距离分辨率，因此本文从以下几个方面做出分析和比较。
2.激光测风雷达探测灵敏度
高灵敏度探测是相干激光测风雷达的技术优势所在，探测灵敏度指标直接影响最终作用距离，因此在系统评估过程中灵敏度指标是非常重要的。在相干探测时，光电探测器的主要噪声来源是散弹噪声和器件的热噪声，其中本振光信号对探测器的作用使得探测器中的本振散弹噪声大大超过器件的热噪声和其它散弹噪声。应用工程计算公式可求得在量子噪声限下相干激光雷达系统所能探测到的最小光功率Psmin=4.3×10-11W，在系统设计时探测灵敏度取5×10-11W。可以采取多通道并行滤波、积累等方法，可以有效地提高低信噪比下信号的探测灵敏度。因此我们在考虑激光测风雷达系统性能时尤其要关注运行信噪比，特别是直接命中障碍物时的信噪比，可以判断雷达自身的探测灵敏度和滤除杂波能力。【1】【3】
激光测风雷达的作用距离与扫描转速和探测灵敏度有直接对应关系，详见图3-1。从图中可以看出激光测风雷达扫描转速越快，探测灵敏度和作用距离会降低。因此结合现在兰州中川机场的小时跑道起降容量29架次和国际民航组织的低空风切变告警刷新建议（每5分钟或更长时间刷新），应当保持10°以下的扫描转速，扫描器的瞄准精度为0.1°，光束角度测量分辨率优于0.01°。
3.激光测风雷达距离分辨率
相干激光测风雷达系统当工作在脉冲体制下时，以空气中随处可见的气溶胶为测量目标，在每个工作周期内的回波信号是从激光发射开始在作用距离范围内所有气溶胶径向速度、强度等信息的连续信号。距离分辨率是由信号处理时FFT距离脉冲宽度确定的，所以需要通过选择合适的信号处理脉宽参数来保证低空风切变的探测距离分辨率。【2】根据兰州中川机场低空风切变（2017年度统计数据）发生高度的特征：300米以下发生40次，占已知发生高度总次数（60次）的62.5%，为绝大多数，而此类情况也属于较为危险的情况，特别是60米以下的14次，已经低于决断高度。考虑低空风切变（特别是微下击暴流）的生成尺度，激光测风雷达的距离分辨率要求一般最高为50m或75m，因此依据式（1）应当选择300ns以上的脉宽参数才能满足距离分辨率的指标。
4.激光测风雷达作用距离
作为探测目标的气溶胶、灰尘等悬浮颗粒具有漫反射目标特性，其有效反射面积等同于有效光斑面积。根据雷达距离方程我们可以得出激光测风雷达作用距离与发射峰值功率、接收机灵敏度有很大关系。【2】当使用距离分辨率为50m时，为保证作用距离内足够的采样点数，当作用距离范围在7.5至30公里时，雷达测量距离库数量应该为250至600个，实际建设中应该根据典型测量距离，选择尽可能多的测量库数或采样点数。
除以上分析的激光测风雷达主要技术指标外，还应当关注雷达扫描装置的机械部分指标，保证设备的稳定性和持久性。比如扫描仪必须方位角360°（以0.1°递增/减）并在倾斜角介于-19°到199°之间（以0.1°递增/减）全面扫描。扫描仪的瞄准精度不得高于0.1°，不测风时的旋转速度最高为30°/s。
通过对激光测风雷达原理分析获得在民航气象应用的主要技术性能指标，详细分析其中关键性指标和技术方案，选擇符合自身发展需要的先进设备。也可以指导相应国内产品研发，形成应用于民航气象的高性能产品。
参考文献：
[1]李策，赵培娥，彭涛，冯力天，周杰，罗雄，周鼎富. 3维激光测风雷达技术研究[J]. 激光技术，2017，41（05）：703-707.
[2]李冬梅，郑永超，潘静岩，谢亚峰，董光焰. 相干多普勒激光测风雷达系统研究[J]. 光学技术，2010，36（06）：880-884.
[3]王婷. 激光测风雷达信噪比提高方法实验研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.
1.激光测风雷达的主要性能指标
激光测风雷达以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气（气溶胶粒子和大气分子）的后向散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速和风向。因此一部性能优越的激光测风雷达应该具备相干探测要求带宽窄;高脉冲能量实现远程探测;长脉冲宽度保证高速度分辨率;高重复率稳定度保证速度偏差较小。考虑在民航气象应用中的高精确度要求，需要激光测风雷达具备较高的探测灵敏度和距离分辨率，因此本文从以下几个方面做出分析和比较。
2.激光测风雷达探测灵敏度
高灵敏度探测是相干激光测风雷达的技术优势所在，探测灵敏度指标直接影响最终作用距离，因此在系统评估过程中灵敏度指标是非常重要的。在相干探测时，光电探测器的主要噪声来源是散弹噪声和器件的热噪声，其中本振光信号对探测器的作用使得探测器中的本振散弹噪声大大超过器件的热噪声和其它散弹噪声。应用工程计算公式可求得在量子噪声限下相干激光雷达系统所能探测到的最小光功率Psmin=4.3×10-11W，在系统设计时探测灵敏度取5×10-11W。可以采取多通道并行滤波、积累等方法，可以有效地提高低信噪比下信号的探测灵敏度。因此我们在考虑激光测风雷达系统性能时尤其要关注运行信噪比，特别是直接命中障碍物时的信噪比，可以判断雷达自身的探测灵敏度和滤除杂波能力。【1】【3】
激光测风雷达的作用距离与扫描转速和探测灵敏度有直接对应关系，详见图3-1。从图中可以看出激光测风雷达扫描转速越快，探测灵敏度和作用距离会降低。因此结合现在兰州中川机场的小时跑道起降容量29架次和国际民航组织的低空风切变告警刷新建议（每5分钟或更长时间刷新），应当保持10°以下的扫描转速，扫描器的瞄准精度为0.1°，光束角度测量分辨率优于0.01°。
3.激光测风雷达距离分辨率
相干激光测风雷达系统当工作在脉冲体制下时，以空气中随处可见的气溶胶为测量目标，在每个工作周期内的回波信号是从激光发射开始在作用距离范围内所有气溶胶径向速度、强度等信息的连续信号。距离分辨率是由信号处理时FFT距离脉冲宽度确定的，所以需要通过选择合适的信号处理脉宽参数来保证低空风切变的探测距离分辨率。【2】根据兰州中川机场低空风切变（2017年度统计数据）发生高度的特征：300米以下发生40次，占已知发生高度总次数（60次）的62.5%，为绝大多数，而此类情况也属于较为危险的情况，特别是60米以下的14次，已经低于决断高度。考虑低空风切变（特别是微下击暴流）的生成尺度，激光测风雷达的距离分辨率要求一般最高为50m或75m，因此依据式（1）应当选择300ns以上的脉宽参数才能满足距离分辨率的指标。
4.激光测风雷达作用距离
作为探测目标的气溶胶、灰尘等悬浮颗粒具有漫反射目标特性，其有效反射面积等同于有效光斑面积。根据雷达距离方程我们可以得出激光测风雷达作用距离与发射峰值功率、接收机灵敏度有很大关系。【2】当使用距离分辨率为50m时，为保证作用距离内足够的采样点数，当作用距离范围在7.5至30公里时，雷达测量距离库数量应该为250至600个，实际建设中应该根据典型测量距离，选择尽可能多的测量库数或采样点数。
除以上分析的激光测风雷达主要技术指标外，还应当关注雷达扫描装置的机械部分指标，保证设备的稳定性和持久性。比如扫描仪必须方位角360°（以0.1°递增/减）并在倾斜角介于-19°到199°之间（以0.1°递增/减）全面扫描。扫描仪的瞄准精度不得高于0.1°，不测风时的旋转速度最高为30°/s。
通过对激光测风雷达原理分析获得在民航气象应用的主要技术性能指标，详细分析其中关键性指标和技术方案，选擇符合自身发展需要的先进设备。也可以指导相应国内产品研发，形成应用于民航气象的高性能产品。
参考文献：
[1]李策，赵培娥，彭涛，冯力天，周杰，罗雄，周鼎富. 3维激光测风雷达技术研究[J]. 激光技术，2017，41（05）：703-707.
[2]李冬梅，郑永超，潘静岩，谢亚峰，董光焰. 相干多普勒激光测风雷达系统研究[J]. 光学技术，2010，36（06）：880-884.
[3]王婷. 激光测风雷达信噪比提高方法实验研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.