激光气象雷达原理及激光光源选型
大气云层、气溶胶是影响航空安全、气象预报、环境监测的关键要素。传统探空气球、人工目视观测手段，受时间、天气条件限制，无法实现全天候、高时间分辨率连续监测。激光气象雷达（激光 Lidar）凭借激光后向散射探测原理，可以远距离感知高空大气粒子，实现对云层边界、气溶胶垂直剖面的自动化观测，已经在气象站、机场、环境监测站点得到广泛应用，是重要的遥感观测设备[1]。
其中激光云高仪与气溶胶激光雷达是应用最广泛的两类设备，二者同源但功能侧重不同，对脉冲激光光源也提出差异化的技术要求。
激光气象雷达主要应用
一． 激光云高仪：航空气象保障的重要观测设备
1.1 工作原理
云是漂浮在大气中的可见凝结体，主要由微小水滴、过冷水滴或冰晶组成，也常为多种形态混合存在，部分云层中还含有少量雨滴、雪晶等颗粒物，且云的底部不会接触地面，区别于雾。
地表水体蒸发形成水汽，水汽随气流向上攀升，在高空低温环境下冷却凝结或凝华，大量聚集后便形成了云。不同高度、不同形态的云层，对应着不一样的大气温度、湿度与气流条件，能够直观反映天气变化趋势。我们日常所见的阴晴雨雪，以及雷暴、台风、暴雨等灾害性天气，都与云层的发展、变化紧密相关。
云的形成
激光云高仪属于专用型米散射激光雷达，设备垂直向上发射纳秒脉冲激光。激光在干净大气中几乎无回波；当激光光束打到云底微小水滴、冰晶粒子上，发生强烈的米后向散射，部分光信号原路返回接收望远镜。
系统记录激光发射与回波接收的时间差，利用光速恒定，通过公式：
H=(cx△t)/2[2][3]
计算得到云底高度；同时解析回波信号强度变化，识别多层云、云顶高度，输出云层厚度、垂直能见度等参数。
激光云高仪工作原理
1.2 为什么需要激光云高仪
机场航班起飞降落对云底高度十分敏感，过低云高会造成能见度恶化，引发航班延误、备降，极端情况下带来飞行安全风险。人工观测、探空气球无法做到 24 小时不间断连续监测。
激光云高仪在航天领域的应用
激光云高仪优势：
1. 全天自动运行，昼夜不间断输出云底高度、多层云信息；
2. 探测精度高，可识别低空碎云，满足民航气象业务规范；
3. 设备体积小巧，适合站点长期无人值守运行[4]。
二．气溶胶激光雷达：大气环境立体监测重要观测设备
大气气溶胶，是悬浮在空气中大量微小固态、液态微粒的统称，颗粒粒径一般为 0.001-100 微米，肉眼大多无法直接看到单个粒子，但大量聚集后会形成霾、沙尘、烟雾等可视现象。
大气气溶胶的组成
气溶胶带来的影响：
环境与空气质量：气溶胶浓度升高，造成霾，降低大气能见度，同时产生的PM2.5 这类细颗粒会影响人体健康。
气象与成云过程：气溶胶充当云凝结核，水汽附着在气溶胶颗粒表面，冷却后凝结形成云滴；气溶胶的多少，直接影响云滴数量、云的形态，间接影响降雨、雷暴的发生发展。
气候效应：气溶胶可以散射、吸收太阳光，改变大气辐射平衡，对区域气候产生影响。
2.1 工作原理
气溶胶激光雷达属于通用米偏振激光雷达，同样基于激光大气后向散射原理。激光发射至高空，空气中的沙尘、霾、烟尘、雾滴等气溶胶颗粒会产生后向散射信号。
通过解析回波信号的强度、退偏振比，反演得到气溶胶消光系数、大气边界层高度、颗粒物垂直分布，同时也可识别云层、区分云与沙尘污染，实现对整层大气垂直剖面的探测。
气溶胶激光雷达工作原理
2.2 为什么需要气溶胶激光雷达
传统地面环境监测站只能获取地面点位的污染物浓度，无法看到污染物在高空的分布、输送、扩散过程。
气溶胶激光雷达可以：
1. 获取污染物垂直空间分布，判断污染来源、沙尘输送；
2. 定位大气边界层高度，研判雾霾发展消散趋势；
3. 同步识别云层，支撑气象预报、人工影响天气作业；
4. 广泛用于生态环境监测、科研试验、城市大气观测[5]。
三．气象激光雷达对激光器光源的核心要求
无论是云高仪还是气溶胶雷达，脉冲激光器是整套系统的核心光源，光源性能直接决定整机探测距离、信噪比、长期可靠性。核心需求包括：
1.窄纳秒脉冲输出：脉宽可以决定空间测距分辨率，脉宽越窄高度分辨能力越好；
2.稳定脉冲能量：能量波动小，保证回波信号稳定，数据重复性好；
3.良好光束质量、小发散角：便于扩束，提升探测距离；
4.支持外触发：便于和接收采集系统时序同步；
四．气象激光雷达激光光源的选择
基于上述气象激光雷达的严苛光源指标，杏林睿光 RealSubns® 系列微片脉冲激光器，面向激光云高仪、气溶胶激光雷达场景开发，可匹配气象遥感设备对光源的大部分核心诉求。
可适配激光云高仪、微脉冲气溶胶偏振雷达（机场、气象站业务化设备）。脉宽：1.5‑2 ns；波长 1064 nm /532 nm；单脉冲能量最高 180 μJ；重频 2.5 kHz。面向气象 Lidar开发定制，全密封 OEM 激光头，支持外触发同步；能量 RMS 波动＜3%，TEM₀₀基模；可做双波长定制；宽温工作，适配长期野外 7×24 小时无人值守运行。典型用于机场激光云高仪完成云底高度、多层云识别；气溶胶雷达反演边界层、沙尘、退偏振比。
MCA-R激光器实物图
MCA-R激光器参数表
可适配需要更高垂直空间分辨率的云高仪、高精度小型气象雷达。脉宽可压缩至 1 ns，更窄脉冲进一步提升高度测距分辨率；波长 1030/515nm 等可选，单脉冲能量可达 100 μJ。对低空碎云、薄云层识别能力更强；适合对空间分辨率指标要求严苛的机型。
MCJ激光器实物图
MCJ激光器参数表
激光头普遍采用全密封一体化结构，体积小巧紧凑，非常适配云高仪、气溶胶雷达小型化整机设计，满足气象站点、机场设备无人值守、长期户外运行的可靠性要求；既可以用于云高仪识别云底、多层云、云层厚度，也可用于气溶胶雷达解析气溶胶垂直剖面、大气边界层高度、区分沙尘与云层信号。
除此之外，杏林睿光 1535 nm 铒玻璃人眼安全激光器可作为激光气象雷达光源，其中5 mJ 高能量版本面向人眼安全激光雷达。
该 1535 nm 为人眼安全波段，开放光路使用可降低激光安全管控压力。5 mJ 的高单脉冲能量能够有效提升回波信号强度，弥补 1535 nm 波段细气溶胶米散射截面偏弱的不足，提升云层远距离探测信噪比。激光器采用全密封小型模组，支持 PD 同步信号输出，满足飞行时间法云底高度解算的时序条件，适配车载、便携式人眼安全气象雷达。
5-8mJ1535铒玻璃激光器实物图
5-8mJ铒玻璃激光器参数表
杏林睿光1535nm铒玻璃人眼安全激光器，40μJ、1kHz 版本同样可作为激光云高仪光源。该激光器具备稳定重复频率输出，可持续采集云层回波信号；小巧全密封模组设计，支持 PD 同步信号输出，能够满足飞行时间法云底高度解算的时序需求，适合固定式小型云高仪设备，兼顾设备小型化与长期野外气象观测稳定性。
高重频1535nm铒玻璃激光器实物图
高重频1535nm铒玻璃激光器参数表
杏林睿光铒玻璃激光器支持选配专用扩束镜模块，用于气象雷达光学系统配套优化。
扩束镜核心作用为压缩激光光束发散角，降低光束在大气传输过程中的几何发散损耗，提升激光在高空的光束能量密度，以此增加雷达最大探测距离，改善高层云、弱回波云层的探测效果。扩束镜与激光头可一体化集成输出，减少整机光学装调难度，保持设备紧凑性，适合便携式、车载气象雷达整机集成。
T03系列人眼安全激光发射天线实物图
T03系列人眼安全激光发射天线参数表
杏林睿光 AQE 系列RealShock®主动调Q激光器可作为大能量云高仪光源，提供1064nm、532nm等多波长选择，单脉冲能量最高可达180mJ，纳秒级脉冲输出，光束均匀、能量稳定性好，全密封风冷一体化结构，支持内外触发同步，远距离探测云层时回波信号强，可实现5–15km云层观测，适用于固定式高精度地基云高雷达。HQP 系列高功率亚纳秒激光器，则面向高采样率微脉冲云高仪，支持 1064nm/532nm，重频最高 50kHz，亚纳秒窄脉冲可提升测距分辨率，基模光束质量优异，模组小巧低功耗，适合轻量化、高时间分辨率的云底连续监测设备。
AQE-180mJ主动调Q激光器实物图
AQE-180mJ主动调Q激光器参数表
HQP系列激光器实物图
HQP系列激光器参数表
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引用
1. 田晓敏，刘东，徐继伟，等。大气探测激光雷达技术综述 [J]. 大气与环境光学学报，2018,13 (05):321-341.
2. 孙景群。激光大气探测 [M]. 北京：科学出版社，1992.
3. 李笑，舒志亮，曹宁，等。激光云高仪与 Ka-band 云雷达测云能力对比分析 [J]. 气象水文海洋仪器，2023,40 (03):5-7+11.
4. ICAO Annex3,Meteorological Service for International Air Navigation [S].
5. ISO 28902-1:2012 Air quality-Environmental meteorology-Part1:Ground-based remote sensing of visual range by lidar [S].
10. T03系列人眼安全激光发射天线
12. HQP系列高功率亚纳秒激光器
Q&A
Q1：在开发激光云高仪与气溶胶激光雷达时，激光器需要重点关注哪些核心技术指标？
A：开发气象激光雷达，首先关注脉冲宽度，窄纳秒脉冲决定垂直测距分辨率，脉宽越窄云层分层识别能力越强；其次是脉冲能量稳定性，能量 RMS 波动大会直接造成回波数据失真，影响反演结果可信度。同时还需要优良光束质量、小光束发散角、外触发同步功能；野外 7×24 小时无人值守设备，还要求激光器具备全密封结构、宽温工作能力。
Q2：1535 nm 人眼安全波段激光器用于气象激光雷达有哪些优势，适用什么场景？
A：1535 nm 属于人眼安全波段，开放光路外场使用时，可大幅降低激光安全防护与合规管控难度。高能量版本能够提升探测信噪比，弥补该波段气溶胶散射截面偏低的短板。杏林睿光 1535 nm 铒玻璃激光器自带 PD 同步输出，体积小巧。5-8 mJ 型号适合车载、便携式气象雷达；40 μJ 高重频型号适合小型固定式激光云高仪。
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