近日，中国科学院空天信息创新研究院（空天院）激光工程技术研究中心激光雷达研究团队在精细楼间风场激光测量方面取得新的研究进展。
精细楼间风场激光测量是低空通航领域小型无人机飞行安全的最重要保障，需要达到零盲区、高精度、高实时的要求。测量系统不仅要实现米级的距离分辨率，同时为了精确反演涡流场风向，还需要在极小张角内实现速度矢量反演。因为楼间风在小尺度范围内存在较多突变，因此在风向反演中，需要激光测风技术达到精准的高精度空间分辨率，继而在很小的观测张角内反演出风向。小张角下实现高精度风向反演，要求系统具备远高于常规激光测风雷达的风速测量精度（优于0.01m/s）和距离分辨率（优于3m），传统脉冲相干激光测风技术是难以实现的。
图1 精细风向反演示意图
传统相干激光测风技术的距离分辨率和风速分辨率均与脉宽相关，高距离分辨率要求短脉冲测量，高风速分辨率要求增加激光脉冲，两者间相互冲突。同时通过缩小脉冲激光宽度进行测量时，一方面因为激光脉冲底宽、信号采集门长度等参数的影响，很难实现精准的高空间分辨率，很容易在相近位置上造成混叠。另一方面也会展宽激光线宽，导致频谱分辨率恶化，风速精度变差。
脉冲压缩技术则不同，首先通过发射长脉冲激光保证风速分辨率，再对长脉冲激光回波信号进行脉冲压缩，实现高距离分辨率，是解决短脉冲激光测风距离分辨率和风速分辨率之间矛盾的最佳技术手段，已广泛应用于微波风廓线雷达中。
图2 脉冲压缩原理
空天院研究团队通过发射脉宽100μs调频激光，实现＜0.001m/s的风速测量精度；再通过脉冲压缩技术，将100μs的长脉冲激光压缩至15ns，实现＜3m的距离分辨率。目前，团队已实现距离100m的零盲区楼间风场精细激光测量。
图3 楼间精细风场测量结果
除精细风场激光测量应用场景外，研究团队也研制出一系列轻小型激光测风雷达产品，可满足手持、小型无人机等场景的应用需求。空天院开发的轻小型激光风廓线雷达（XC-001型，图4左）重量仅为3100g，可实现垂直1000 m范围内风场探测，距离分辨率为30m，功耗仅为30W。空天院为小型无人机开发的激光测风雷达（XC-002型，图4右）连同吊舱总重量仅为5000g，可实现径向2500m范围内风场探测，功耗为50W。
图4 轻小型激光风廓线雷达（左）和三维激光测风雷达（右）
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