基于F‑P标准具的紫外三频高光谱分辨率激光雷达系统及其探测方法与流程

本发明涉及一种可同时高精度探测0-35km高度风场、温度和气溶胶的激光雷达系统及其探测方法，特别涉及一种基于f-p标准具的紫外三频率高光谱分辨率激光雷达系统及其探测方法。

背景技术：

大气风速、温度和气溶胶光学特性垂直廓线及其时间演变特征资料对数值天气预报、大气科学以及气候变化、大气热力学、动力学等研究都起着至关重要的作用。对大气风场、温度和气溶胶光学特性的探测和研究具有重要的科学意义。特别要提到的是，伴随临近空间飞行器的发展，空间环境安全保障已经成为重要问题。平流层大气风场复杂变化和温度、密度、气压状态及动力学扰动将直接影响临近空间(20～100km)飞行器安全、航空航天活动的有效进行和无线电系统的信息传输等。因此，对平流层空间大气环境要素(温度、风向、风速、压强、密度等)的高精度探测，特别是“零风层”(18～25km)的探测，提供平流层大气状态的预报和现报以及分析研究平流层的大气特征分布，还具有重要的经济和军事意义。

目前，对气溶胶的探测主要有米散射激光雷达、偏振激光雷达和高光谱分辨率激光雷达。激光雷达探测大气温度的方法主要有：差分吸收法、瑞利散射积分法、瑞利散射光谱分析法和转动拉曼散射法等。对大气风场的探测主要采用多普勒激光雷达。根据探测体制不同，所采用的鉴频技术有相干探测技术和直接探测技术。其中基于f-p标准具边缘技术是目前较为成熟的、国际上对中高层大气风场探测最为普遍采用的技术。但是，进行深入分析发现，上述单参数探测技术在对0～35km高度对应的大气参数进行探测时，存在探测精度不高、探测范围不能覆盖0～35km高度等缺陷；或者由于风速、温度和气溶胶等三个参数的相互影响，导致反演误差较大的缺点。例如：若采用高光谱分辨率激光雷达高精度测量气溶胶，需要知道大气温度信息；若采用基于瑞利散射光谱分析法的高光谱分辨率激光雷达高精度测量大气温度，需要准确扣除气溶胶信息，同时还要考虑修正布里渊散射的影响；若采用基于边缘技术的直接探测多普勒激光雷达高精度测量大气风速，需要知道气溶胶和温度信息。因此，为克服传统单参数探测技术探测精度不高、探测范围不能覆盖或反演误差较大等缺点，有必要探索可同时高精度探测0～35km高度(对流层和低平流层区域)大气风场、温度和气溶胶光学特性等大气参数的激光雷达新技术。目前国内外能够同时高精度探测0～35km高度的大气风场、温度和气溶胶光学特性的激光雷达技术还未见报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于f-p标准具的紫外三频高光谱分辨率激光雷达系统及其探测方法，能用于同时探测0-35km高度大气风场、温度和气溶胶等大气参数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的雷达系统整体结构如图1所示。采用种子光注入nd：yag激光器作为发射源，发出线偏振光束，通过声光调制器使发射激光频率在v0、v-和v+之间交替改变。由于米散射强度与波长λ^1.3近似成反比，瑞利散射强度与λ⁴成反比，故工作波长采用355nm以获得强的探测信号。发射激光由第一分束镜分成两束，占有绝大部分能量的透射光由扩束镜压缩光束发散角后，经过依次通过第一45度反射镜、二维扫描仪的两个反射镜，最终以预设的方位角和天顶角垂直透过玻璃平板进入大气被测区域。其大气后向散射光由望远镜接收，依次经过凹透镜、窄带滤光片、电光调制器和半波片后，绝大部分能量透过第二分束镜，再由第二45度反射镜反射后，依次经过第四凸透镜、视场光阑、第五凸透镜、第一偏振分束棱镜、第一四分之一波片后入射至三通道f-p标准具的通道1，其透射光束由第六凸透镜会聚进入第一光子计数模式光电倍增管；其反射光束依次经过第一四分之一波片、第一偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜和第二四分之一波片后，入射至三通道f-p标准具的通道2。通道2的透射光束由第七凸透镜会聚进入第二光子计数模式光电倍增管；反射光束再次经过第二偏振分束棱镜和第二四分之一波片后，由第八凸透镜会聚进入第三光子计数模式光电倍增管。第一分束镜占有很少能量的反射光进入第一光纤跳线一端，从另一端出来的光信号进入积分球，从积分球出来的光信号作为参考光信号，再由第二光纤跳线一端耦合，从其另一端出射的光信号先后经过第九凸透镜和偏振片，再由第三分束镜分为两束。第三分束镜占有大部分能量的反射光束依次经过第三45度反射镜、第十凸透镜、第十一凸透镜和孔径光阑后，由第四分束镜分为两束，其反射光束由第十二凸透镜会聚进入第一模拟探测模式光电倍增管；透射光束入射至三通道f-p标准具的通道l，出射光束再由第十三凸透镜会聚进入第二模拟探测模式光电倍增管。第三分束镜的透射光束经过第二分束镜反射后，再经过和后向散射光信号完全一样的光路，用于系统校准以及风场测量时发射光频率测量。参考光和后向散射光由电光调制器信号在时序上实现隔离。两个模拟探测模式光电倍增管和三个光子计数模式光电倍增管的输出信号分别由a/d卡和光子计数采集卡进行采集，再由工控机进行数据处理、存储、数据反演以及结果显示等。整个系统的激光器、fp标准具、二维扫描仪、a/d卡和光子计数采集卡等均通过rs232接口由工控机控制。测量过程中，发射激光经由二维扫描系统先后指向天顶和两个正交、天顶角为30°方向。当指向天顶时，发射激光频率在v0、v-和v+之间交替改变，频率为v0的激光用于测量大气温度和气溶胶光学特性，频率为v-和v+的激光用于测量垂直风速分量；当指向两个正交、天顶角为30°方向时，发射激光频率在v-和v+之间交替改变，用于测量水平风速分量。

本发明的风场、温度和气溶胶的总体探测方法如图2所示。f-p标准具的一个通道(通道l)用于锁定发射激光频率；另外两个通道(通道1和通道2)为探测通道，光路为级联方式，以提高探测信噪比。三个通道标准具设计成一体(自由谱间距相同)，确保了各频谱之间的相对稳定性，三个通道标准具的自由谱间距都为8ghz，通道l的谱宽为0.2ghz，通道1和通道2的谱宽都为1ghz，通道1和通道2的峰峰间隔为4ghz，通道1和通道l的峰峰间隔为0.1ghz。发射激光频率在v0、v-和v+之间交替改变，其中：v-＝v0-2ghz，v+＝v0+2ghz，v0被锁定在通道l透射谱的左侧半高宽处，也即通道1的峰值处。当频率为v-或v+时，通道1和通道2作为风速探测的两个边缘通道，在已知气溶胶后向散射比条件下，利用瑞利和米散射信号共同测量大气风场，如图3所示。采用双发射激光频率可以充分利用两个标准具透射谱的四个边缘。当频率为v0时，通道1和通道2作为气溶胶和温度探测通道，利用通道1的透射谱和通道2的反射谱将米和瑞利后向散射信号分离，如图4所示；利用通道2的透反射谱探测瑞利信号谱两翼获取大气温度，图5所示。若对气溶胶很少的高层大气测量，经气溶胶修正后，通道1又可作为一个温度探测通道测量瑞利谱的中部，以提高温度测量精度，如图6所示。探测光路设计成级联方式，使雷达望远镜接收到的大气后向散射信号得到充分利用，大大提高了各参数探测的信噪比。同时，通过对两个探测通道的自由谱间距、谱宽和频谱间隔的合理优化设计，使得其对风速、温度和气溶胶后向散射比测量精度几乎同时达到最佳。这几方面保证了系统具有较高的探测性能。这里风场探测采用双级联标准具双频率四边缘技术；气溶胶探测采用双级联标准具的前级透射谱和后级反射谱的信号分离技术；低层温度探测采用单标准具双级透射谱的瑞利谱两翼探测技术；高层温度探测采用双级联标准具的前级单透射谱和后级双透射谱的瑞利谱中部与两翼同时探测技术。

激光雷达接收到垂直高度z～z+δz之间的米和瑞利后向散射信号的光电子数分别为：

式中n为脉冲累积数；y(z)是激光雷达的几何重叠因子；η0＝tttr，tt和tr分别是发射和接收光学单元的总透过率；η为探测器的量子效率(假定各支路探测器量子效率相同，实际是有差异的)；e0为发射激光脉冲能量；λ为发射激光波长；h＝6.626×10^-34j是普朗克常量；c为光速；a0为接收望远镜的接收面积；z为垂直高度；δz为垂直距离分辩率；为发射激光仰角；βa(λ，z)和βm(λ，z)分别为气溶胶和大气分子后向散射系数；α＝αa+αm为总的消光系数，αa为气溶胶消光系数，αm为大气分子消光系数。

频率为v的单色平行光激光入射到第i通道单f-p标准具的透过率函数为：

式中i＝1，2，l，分别对应两探测通道和锁定通道；ηi＝tp，i(1-ri)/(1+ri)，tp，i为标准具的峰值透过率，若忽略平板吸收损耗，tp，i＝1，ri为平板有效反射率；vi为标准具频谱中心频率；vfsr为标准具自由谱间距。

假定发射激光为高斯谱线，气溶胶后向散射谱和分子后向散射谱分别可表示为：

式中δva＝δv/(4ln2)^1/2，δv为激光发射谱宽；δvr＝(8kt/mλ²)^1/2为瑞利谱线的1/e高度处的宽度，λ为激光波长，k为玻耳兹曼常数，t为大气温度，m为分子质量；vs＝v0，±±2vr/λ为后向散射谱中心频率，v0，±为发射激光中心频率，vr为径向风速。

实际发射激光在经过准直系统后，全发散角为2θ0，则实际两个探测通道的三个接收支路与标准具有关的有效光学透过率，经过前期严格推导得到：

式中：

其中i＝1，2；j＝a，m；则三个光子计数探测器接收到的后向散射信号光子数为：

nx(z，vs，t)＝na(z，vs)txa(vs)+nm(z，vs)txm(vs，t)

其中x＝1，2，3。利用nx可以反演得到大气风场、温度和气溶胶。

本发明所述的雷达系统由种子注入光源、第一凸透镜、光隔离器、声光频移器、第二凸透镜、第三凸透镜、脉冲nd：yag激光器、第一分束镜、扩束镜、第一45度反射镜、二维扫描仪、玻璃平板、卡塞格林望远镜、凹透镜、窄带滤光片、电光调制器、半波片、第二分束镜、第二45度反射镜、第四凸透镜、视场光阑、第五凸透镜、第一偏振分束棱镜、第一四分之一波片、三通道f-p标准具、第六凸透镜、第一光子计数模式光电倍增管、第二偏振分束棱镜、第二四分之一波片、第七凸透镜、第二光子计数模式光电倍增管、第八凸透镜、第三光子计数模式光电倍增管、第一光纤跳线、积分球、第二光纤跳线、第九凸透镜、偏振片、第三分束镜、第三45度反射镜、第十凸透镜、第十一凸透镜、孔径光阑、第四分束镜、第十二凸透镜、第一模拟探测模式光电倍增管、第十三凸透镜、第二模拟探测模式光电倍增管、种子光驱动电源、a/d卡和光子计数采集卡、触发电路、fp标准具控制器、声光频移器驱动、电光调制器驱动、激光驱动电源、二维扫描仪控制器和工控机组成，其特征是：种子注入光源分别和种子光驱动电源、触发电路相连，种子注入光源发出的种子光先后经第一凸透镜、光隔离器、声光频移器、第二凸透镜、第三凸透镜后，注入脉冲nd：yag激光器，发出355nm的线偏振脉冲光。声光频移器和声光频移器驱动相连，由驱动信号控制从声光频移器出来的光频率在v0、v-＝v0-2ghz和v+＝v0+2ghz之间交替改变。三个通道标准具设计成一体(自由谱间距相同)，确保各频谱之间的相对稳定性。三个通道标准具的自由谱间距都为8ghz，通道l的谱宽为0.2ghz，通道1和通道2的谱宽都为1ghz，通道1和通道2的峰峰间隔为4ghz，为自由谱间距的一半，即通道1的某级频谱在通道2相邻两级频谱的中间。通道1和通道l的峰峰间隔为0.1ghz。该设计参数对风速、温度和气溶胶后向散射比测量精度几乎同时达到最佳。发射激光频率在v0被锁定在通道l透射谱的左侧半高宽处，也即通道1的峰值处；发射激光频率v-在通道1频谱左侧，并锁定在通道1频谱和通道2频谱中间；发射激光频率v+在通道1频谱右侧，并锁定在通道1频谱和通道2频谱中间。大气后向散射信号经由望远镜收集，在经过凹透镜、窄带滤光片后，进入高速电光调制器，高速电光调制器和电光调制器驱动相连，电光调制器阻断激光器出光后0-4μs左右时间段内的大气后向散射光信号，不仅可避免参考光信号和大气后向散射光信号混叠在一起，又防止近距离强的大气后向散射光信号使得探测器饱和。从电光调制器出来的光束再经过半波片调节线偏振光的偏振方向。从半波片出来的光偏振方向平行于纸面，恰好可以完全透过第一偏振分束棱镜，其透过第二分束镜后由第二45度反射镜反射。反射光依次经过第四凸透镜、视场光阑和第五凸透镜。第四凸透镜和第五凸透镜将光束扩束至三通道f-p标准具通道1的有效口径大小。从第五凸透镜出射光束透过第一偏振分束棱镜和第一四分之一波片后，入射至三通道f-p标准具的通道1。从通道1出射的光束由第六凸透镜会聚至第一光子计数模式光电倍增管的光敏面。通道1的反射光束再次经过第一四分之一波片后，偏振方向变为垂直于纸面，由第一偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜反射，再经过第二四分之一波片后，入射至三通道f-p标准具的通道2。从通道2出射的光束由第七凸透镜会聚至第二光子计数模式光电倍增管的光敏面。通道2的反射光束再次经过第二四分之一波片后，偏振方向变为平行于纸面，其直接透过第二偏振分束棱镜，再由第八凸透镜会聚至第三光子计数模式光电倍增管的光敏面。该级联接收光路的设计，使雷达望远镜接收到的大气后向散射信号得到充分利用，大大提高了各参数探测的信噪比。

由于采用上述技术方案，本发明所具有的优点和积极效果是：与现有的激光雷达系统相比，1、实现了单台雷达同时高精度测量0-35km(对流层和低平流层)风场、温度和气溶胶光学特性；2、对风场测量采用了基于双频率和两级联fp标准具的四边缘瑞利-米散射风场探测技术。采用级联式光路有效提高了信噪比；双频率探测不仅可以避免正负风速探测精度不一致，更重要的是还消除了因两个边缘通道接收光路光学效率、探测器量子效率等参数校准误差引起的风速测量误差；将严格导出的级联标准具频谱函数的理论表达式用于系统校准，有效提高了测量精度；3、对低层大气温度探测采用了两级联fp标准具并利用后级fp标准具双级谱对瑞利散射谱两翼探测的技术；对高层大气温度探测采用了两级联fp标准具对瑞利散射谱中部与两翼同时探测技术。在气溶胶浓度较大的低层大气，前级fp标准具滤除了绝大部分米散射信号和部分背景信号，提高了入射到后级标准具的瑞利散射信号的信噪比，大大降低了米散射信号对温度测量的影响；利用后级fp标准具的相邻两级透射谱对瑞利散射谱两翼同时探测，在提高了探测信噪比的同时，使温度探测灵敏度提高了一倍；利用后级fp标准具的反射信号对透射信号归一化，实现了对大气温度的绝对测量。在气溶胶可忽略的高层大气，前级fp标准具测量瑞利谱中部的信号(温度灵敏度为负)；后级fp标准具测量瑞利散射谱两翼信号(温度灵敏度为正)，利用两信号的比值实现了对大气温度的高精度绝对测量。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图1中1.种子注入光源，2.第一凸透镜，3.光隔离器，4.声光频移器，5.第二凸透镜，6.第三凸透镜，7.脉冲nd：yag激光器，8.第一分束镜，9.扩束镜，10.第一45度反射镜，11.二维扫描仪，12.玻璃平板，13.卡塞格林望远镜，14.凹透镜，15.窄带滤光片，16.电光调制器，17.半波片，18.第二分束镜，19.第二45度反射镜，20.第四凸透镜，21.视场光阑，22.第五凸透镜，23.第一偏振分束棱镜，24.第一四分之一波片，25.三通道f-p标准具，26.第六凸透镜，27.第一光子计数模式光电倍增管，28.第二偏振分束棱镜，29.第二四分之一波片，30.第七凸透镜，31.第二光子计数模式光电倍增管，32.第八凸透镜，33.第三光子计数模式光电倍增管，34.第一光纤跳线，35.积分球，36.第二光纤跳线，37.第九凸透镜，38.偏振片，39.第三分束镜，40.第三45度反射镜，41.第十凸透镜，42.第十一凸透镜，43.孔径光阑，44.第四分束镜，45.第十二凸透镜，46.第一模拟探测模式光电倍增管，47.第十三凸透镜，48.第二模拟探测模式光电倍增管，49.种子光驱动电源，50.a/d卡和光子计数采集卡，51.触发电路，52.fp标准具控制器，53.声光频移器驱动，54.电光调制器驱动，55.激光驱动电源，56.二维扫描仪控制器，57.工控机。

图2是本发明的同时探测0-35km大气风场、温度和气溶胶的原理图。

图3是本发明的基于双频率和两级联fp标准具的四边缘瑞利-米散射风场探测原理图。

图4是本发明的基于两级联fp标准具的气溶胶探测原理图。

图5是本发明的基于两级联fp标准具并利用后级fp标准具双级谱对瑞利散射谱两翼探测的低层大气温度探测原理图。

图6是本发明的基于两级联fp标准具并利用前级标准具单级谱和后级标准具双级谱对瑞利散射谱中部与两翼同时探测的高层大气温度探测原理图。

具体实施方式

本发明的结构框如1图所示。图1中种子注入光源(1)分别和种子光驱动电源(49)、触发电路(51)相连，种子注入光源(1)发出的种子光先后经第一凸透镜(2)、光隔离器(3)、声光频移器(4)、第二凸透镜(5)、第三凸透镜(6)后，注入脉冲nd：yag激光器(7)，发出355nm的线偏振脉冲光。声光频移器(4)和声光频移器驱动(53)相连，由驱动信号控制从声光频移器(4)出来的光频率在v0、v-＝v0-2ghz和v+＝v0+2ghz之间交替改变。脉冲nd：yag激光器(7)和激光驱动电源(55)相连，从脉冲nd：yag激光器(7)发出的光脉冲由第一分束镜(8)分为两束。占大部分能量的透射光束由扩束镜(9)扩束后，经望远镜(13)内的45度反射镜(10)后，望远镜(13)的光轴方向射向二维扫描仪(11)内，经过二维扫描仪(11)导光后，垂直透过玻璃平板(12)进入大气探测区域，二维扫描仪(11)的第一块反射镜与望远镜(13)的光轴呈45度夹角，玻璃平板(12)和二维扫描仪(11)的第二块反射镜呈45度夹角，二维扫描仪(11)通过数据控制线和二维扫描仪控制器(56)相连，大气后向散射信号经由望远镜(13)收集，在经过凹透镜(14)、窄带滤光片(15)后，进入高速电光调制器(16)，高速电光调制器(16)和电光调制器驱动(54)相连，电光调制器(16)阻断激光器出光后0-4μs左右时间段内的大气后向散射光信号，不仅可避免参考光信号和大气后向散射光信号混叠在一起，又防止近距离强的大气后向散射光信号使得探测器饱和。从电光调制器(16)出来的光束再经过半波片(17)调节线偏振光的偏振方向。从半波片(17)出来的光偏振方向平行于纸面，恰好可以完全透过第一偏振分束棱镜(23)，其透过第二分束镜(18)后由第二45度反射镜(19)反射。反射光依次经过第四凸透镜(20)、视场光阑(21)和第五凸透镜(22)。第四凸透镜(20)和第五凸透镜(22)将光束扩束至三通道f-p标准具(25)通道1的有效口径大小。从第五凸透镜(22)出射光束透过第一偏振分束棱镜(23)和第一四分之一波片(24)后，入射至三通道f-p标准具(25)的通道1。从通道1出射的光束由第六凸透镜(26)会聚至第一光子计数模式光电倍增管(27)的光敏面。通道1的反射光束再次经过第一四分之一波片(24)后，偏振方向变为垂直于纸面，由第一偏振分束棱镜(23)和第二偏振分束棱镜(28)反射，再经过第二四分之一波片(29)后，入射至三通道f-p标准具(25)的通道2。从通道2出射的光束由第七凸透镜(30)会聚至第二光子计数模式光电倍增管(31)的光敏面。通道2的反射光束再次经过第二四分之一波片(29)后，偏振方向变为平行于纸面，其直接透过第二偏振分束棱镜(28)，再由第八凸透镜(32)会聚至第三光子计数模式光电倍增管(33)的光敏面。第一分束镜(8)占很少能量的反射光束由第一光纤跳线(34)耦合进入积分球(35)，从积分球(35)出来的光束脉宽被展宽，其再耦合进入第二光纤跳线(36)。出射光束由第九凸透镜(37)准直后，再经过偏振片(38)，并由第三分束镜(39)分为两束，偏振片(38)的起偏方向平行与纸面。占大部分能量的反射光束由第三45度反射镜(40)反射后，经过第十凸透镜(41)和第十一凸透镜(42)扩束。扩束后的光束经过孔径光阑(43)压缩至三通道f-p标准具(25)通道l的有效口径大小。透过孔径光阑(43)的光束由第四分束镜(44)分为两束，反射光束由第十二凸透镜(45)会聚至第一模拟探测模式光电倍增管(46)的光敏面；透射光束入射至三通道f-p标准具(25)的通道l。从通道l出射的光束由第十三凸透镜(47)会聚至第二模拟探测模式光电倍增管(48)的光敏面。第三分束镜(39)的透射光束由第二分束镜(18)反射后，再经过与后向散射光信号一样的光路，但时序上和后向散射光信号错开。第一模拟探测模式光电倍增管(46)和第二模拟探测模式光电倍增管(48)与a/d卡(50)相连，第一光子计数模式光电倍增管(27)、第二光子计数模式光电倍增管(31)和第三光子计数模式光电倍增管(33)与多通道光子计数采集卡(50)相连。a/d卡和光子计数采集卡(50)和触发电路(51)相连，fp标准具控制器(52)和三通道fp标准具(25)相连，种子光驱动电源(49)、触发电路(51)、fp标准具控制器(52)、声光频移器驱动(53)、电光调制器驱动(54)、激光驱动电源(55)、二维扫描仪控制器(56)与工控机(57)相连，由工控机(57)统一控制。

本发明所述的具体探测方法如下。声光频移器(4)和声光频移器驱动(53)控制发射激光频率，使其频率在v0、v-和v+之间交替改变。发射激光由第一分束镜(8)反射一小部分，经过积分球(35)展宽脉宽后作为参考光，经过三通道f-p标准具(25)的通道l，利用第一模拟探测模式光电倍增管(46)和第二模拟探测模式光电倍增管(48)接收信号的比值测得发射频率为v0时的参考光频率并将其锁定在通道l透过率的左腰半高宽处，即通道i标准具透过率的峰值位置附近，如图2所示。大部分发射激光透射经过第一分束镜(8)后，由扩束镜(9)扩束进入望远镜(13)，经过二维扫描仪(11)导光后，以指定的方向进入大气探测区域。工作过程中，一个探测周期内二维扫描仪(11)采用三波束扫描的工作方式，一束指向天顶，另两束指向相互正交、天顶角都为30°方向。当指向天顶时，首先发出激光频率为v0的光束。后向散射信号光先经过三通道f-p标准具(25)的通道1，透过大部分的米散射光信号和少量瑞利散射光信号，并由第一光子计数模式光电倍增管(27)接收；f-p标准具(25)的通道1的反射信号再经过三通道f-p标准具(25)的通道2，透过部分瑞利散射光信号，并由第二光子计数模式光电倍增管(31)接收；f-p标准具(25)的通道2反射大部分瑞利散射光信号和极少量的米散射光信号，并由第三光子计数模式光电倍增管(33)接收。利用三个光子计数模式光电倍增管(27)、(31)和(33)的接收信号，采用非线性迭代方法可以反演得到大气温度和气溶胶，如图4、图5和图6所示。然后，再分别发射激光频率为v-和v+的光束。利用第一和第二光子计数模式光电倍增管(27)、(31)接收信号的比值，可以反演得到垂直风速分量。当指向相互正交、天顶角都为30°方向时，首先发出激光频率为v0的少量光脉冲，利用三通道f-p标准具(25)的通道l锁定发射激光频率。然后，再分别发射激光频率为v-和v+的光束，利用一和第二光子计数模式光电倍增管(27)、(31)接收信号的比值，分别测量两个方向上的径向风速，如图3所示。再进行矢量合成可以得到水平风速的大小和方向。