相干多普勒测风激光雷达

 鉴于多普勒测风激光雷达在航空航天、遥感遥测、气象观测等军事及民用领域中的广泛应用,结合相干探测工作原理,介绍了国外几种典型波段相干多普勒测风激光雷达系统,重点分析了激光发射机/接收机、空间扫描、数据处理等关键技术,并对相干多普勒激光雷达的广阔应用前景进行了展望。指出国内相干多普勒测风激光雷达研究已取得的一些重要进展。     

基于大气分层的激光测风雷达回波模型

从相干激光测风雷达原理入手,论述了激光雷达回波特性和多普勒效应在测风雷达中的应用。基于大气分层模型,考虑到激光束的传播及其与大气之间的相互作用,建立了激光测风雷达回波模型,模拟回波信号在大气中的传输过程,为激光测风雷达回波信号的模拟提供了理论基础。     

条纹技术测风激光雷达研究

使用单纵模355 nm激光作为发射光源,Fizeau干涉仪作为光谱鉴别设备,对条纹技术测风激光雷达进行了研究.对激光器频率抖动和Fizeau干涉仪光谱进行了分析,建立了条纹技术激光雷达系统,使用Fizeau干涉仪扫描的方法对系统进行了风速标定.利用研制的激光雷达系统对引入的参考光信号和大气后向散射信号进行同时测量,得到1.5 km以内的大气风速剖面.     

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(I):基于Fizeau干涉仪的Mie通道大气风速反演研究

研究了星载激光多普勒测风雷达系统结构,构建了基于Fizeau干涉仪的鉴频仿真系统,仿真研究了Mie通道风速反演算法,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Mie通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.仿真和统计结果表明,基于Fizeau干涉仪的Mie通道可反演低对流层大气风速;低对流层HLOS风速误差和标准差分别小于1 m·s-1和2 m·s-1;气溶胶和云的分布影响星载激光多普勒雷达测风误差,可使风速最大偏差增大一倍.     

星载激光测风雷达的光束扫描及风场反演

激光测风雷达通过多普勒频移来确定激光束视线方向大气风场的速度知矢量。由这些测得的矢量可反演大气风场群速的速度矢量。文讨论 用单一激光多普勒风速仪系统,激光束采用圆锥扫描方式,在扫描圆锥的垂直截面上取四个正交点上的多普勒风速矢量。通过这四个矢量,利用空间解析几何的知识,最终推导出观测视场上风场的水平和垂直方向的矢量分量。     

基于周期图最大似然算法的相干激光测风多普勒频率估计

采用径向风速的估计不确定度和探测概率作为评价指标,研究了周期图最大似然(PML)算法的多普勒频率估计性能.基于大气分层激光回波模型,分别以PML和周期图最大值法(PM)对回波信号进行处理,验证了PML算法在相干激光测风中的可行性;分析比较不同信噪比条件下PML算法的风速估计不确定度与探测概率.仿真结果表明,在发射脉冲宽度为400ns、采样点数为128时,PML算法适合在中等信噪比条件下使用,且风速估计的不确定度整体小于PM算法的,在信噪比为-13dB时径向风速的估计不确定度为0.75m/s,探测概率在90%以上,该研究为后续的外场试验提供了指导.     

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(Ⅱ):基于Fabry-Perot标准具的Rayleigh通道大气风速反演研究

基于星载激光多普勒测风雷达工作原理,构建了基于连续双通道Fabry-Perot(F-P)标准具的鉴频仿真系统,仿真研究了Rayleigh通道大气风速反演算法,系统分析了Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号对Rayleigh通道反演大气视线(LOS)风速的影响,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Rayleigh通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.结果表明,基于连续双通道F-P标准具的Rayleigh通道可反演中高层大气风速;Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号影响Rayleigh通道LOS风速反演精度;Rayleigh通道风速反演对温度精度要求最高,在晴空条件下可忽略Mie干扰信号的影响;不考虑Brillouin效应时,高度2 km以下Rayleigh通道无法反演HLOS风速,高度2 km以上Rayleigh通道反演的HLOS风速误差小于0.4 m·s-1,风速标准差在1—4 m·s-1之间;同Mie通道一样,气溶胶和云的分布影响Rayleigh通道HLOS风速反演误差.研究结果对发展星载激光雷达测风技术具有重要参考意义.     

多纵模激光F-P标准具双边缘测风可行性分析

讨论采用多纵模激光器作探测光源用于双边缘多普勒激光雷达测风的可行性。给出了多纵模激光器谐振腔腔长与边缘滤波器F-P标准具腔长之间的关系。分析了多纵模双边缘测风的主要特性,计算灵敏度、信噪比和径向测速误差,并与单纵模测风性能进行对比。可用类似单纵模测风中动态频率跟踪技术解决多纵模激光器频率漂移问题。     

瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准

 在进行实际风速测量之前,对于新研制的测风激光雷达系统进行校准,可以验证并提高风速测量的准确性。根据瑞利散射多普勒激光雷达的测量原理,提出了利用瑞利散射谱和米散射谱之间的关系,采用运动硬目标实现对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的方法。设计了对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的实验系统,并给出了详细的校准步骤。     

Theoretical description of improving measurement accuracy for incoherence Mie Doppler wind lidar

For the nonlinearity of Fabry-Perot interferometer(FPI) transmission spectrum,the measurement uncertainty of incoherent Mie Doppler wind lidar based on it increases evidently with the increase of backscattering signal Doppler shift.A method of repeating the use of the approximate linear part of FPI transmission spectra for reducing the high uncertainty of a big Doppler shift is proposed.One of the ways of realizing this method is discussed in detail,in which the characteristics of FPI transmission spectrum changing with thickness and incident angle are utilized simultaneously.Under different atmosphere conditions,it has been proved theoretically that the range of measurement uncertainty drops to one-sixth while its minimum has no serious change.This method can be used not only to guide the new system design,but also as a new working way for the fabricated system.     

非扫描测风激光雷达光学系统设计

光学系统是测风激光雷达小型化的关键,光学设计的质量直接影响系统的整机性能。提出了一种全光纤多路收发非扫描多普勒测风激光雷达系统方案,对其工作原理作了简要介绍;在对激光雷达系统信噪比开展理论分析的基础上,提出了光学天线的视场、孔径、焦距等设计参数,并利用光学设计软件对光学天线进行了设计和仿真实验。该系统工作波长为1064 nm,设计结果表明,光学天线相对口径为1∶4.28,全视场角为2022.5,总长为277 mm,后截距127.28 mm,有效焦距300 mm,口径70 mm,各视场光纤耦合效率均在65%以上,满足设计指标要求。     

瑞利多普勒测风激光雷达的频率标定方法

频率标定是瑞利测风激光雷达的关键技术。瑞利测风激光雷达中,通过改变压电陶瓷管的电压实现连续调谐F-P标准具腔长,使出射激光频率处于双边缘透过率曲线的交点处。在连续调谐时,由于压电陶瓷管的磁滞效应引起腔长调谐非线性,从而导致系统误差。分析了该误差的原因及特性,提出了静态软件补偿和动态调频跟踪相结合的频率标定方法。若激光出射频率相对F-P标准具漂移小于100 MHz时,在数据反演时补偿该频率偏差;若相对频率漂移大于100 MHz时,将F-P标准具先退回预设腔长以下,通过逐步增加电压的方式,重新实现频率锁定,保证锁定过程处在磁滞回线的电压上升段,避免了磁滞效应引起的误差。多普勒激光雷达与无线电探空仪的两组对比实验中,在15~30km高度,风速最大偏差6.22m/s,平均偏差1.12m/s。     

瑞利多普勒测风激光雷达的频率标定方法

频率标定是瑞利测风激光雷达的关键技术。瑞利测风激光雷达中,通过改变压电陶瓷管的电压实现连续调谐F-P标准具腔长,使出射激光频率处于双边缘透过率曲线的交点处。在连续调谐时,由于压电陶瓷管的磁滞效应引起腔长调谐非线性,从而导致系统误差。分析了该误差的原因及特性,提出了静态软件补偿和动态调频跟踪相结合的频率标定方法。若激光出射频率相对F-P标准具漂移小于100 MHz时,在数据反演时补偿该频率偏差;若相对频率漂移大于100 MHz时,将F-P标准具先退回预设腔长以下,通过逐步增加电压的方式,重新实现频率锁定,保证锁定过程处在磁滞回线的电压上升段,避免了磁滞效应引起的误差。多普勒激光雷达与无线电探空仪的两组对比实验中,在15～30 km高度,风速最大偏差6.22 m/s,平均偏差1.12 m/s。     

瑞利散射多普勒激光雷达风场反演方法

介绍了瑞利散射多普勒激光雷达的风场探测原理和系统结构. 给出了Fabry-Perot(FP)标准具透过率曲线的校准方法. 指出对透过率采用Lorentz或Voigt拟合会产生较大误差,特别是采用Lorentz拟合最大将引起8%的误差. 提出了采用非线性最小二乘法拟合标准具的透过率函数,该方法可以有效消除拟合误差,提高风速测量精度. 考虑到温度不确定度在风场反演过程中的主导影响,提出了同时反演风速和大气温度的非线性迭代算法. 风场反演仿真试验结果表明:在不考虑米散射信号的影响下,该反演算法与传统的反演方法相 关键词： 激光雷达 瑞利散射 多普勒 风     

基于双F-P干涉仪的多普勒测风激光雷达的性能分析

自行研制了一台基于双边缘技术的多普勒激光雷达,用于测量对流层大气风场。该雷达采用具有高光谱分辨率的双Fabry-Perot干涉仪来检测气溶胶后向散射的多普勒频移量。给出了多普勒测风激光雷达的结构和参数。利用干涉仪参数讨论了雷达系统的测量精度。实验测定了双干涉仪的频谱曲线。通过计算和分析,由测量的干涉仪频谱曲线的的标准偏差引起的系统测量误差为0.5 m/s。系统的测量误差随着测量的高度和所测速度的增加在增大,在高度10 km测量50 m/s的风速时系统的测量误差小于2 m/s。     

Rayleigh散射Doppler激光雷达风场反演方法改进

在Rayleigh散射Doppler激光雷达的风场反演过程中,除了温度、压强等因素之外,风速反演结果的 准确性还受到Mie散射信号的影响．当Mie散射信号较强时,尤其是遇到高层云或火山灰等情况,如果仍不考虑 气溶胶信号,由于温度不确定度和气溶胶信号的综合影响,风速反演结果将与真值偏差很大．本文提出了利用 激光雷达在垂直方向的测量信号同时反演后向散射比和大气温度的非线性迭代算法,并优化给出了最佳的 初始发射激光工作点．仿真试验结果表明:该方法可以准确有效地反演后向散射比;将该方法结合非线性迭代 风速反演方法,可以有效消除气溶胶后向散射信号的影响,进一步提高大气风速和温度的反演精度．     

多普勒测风激光雷达风场探测结果分析

为了验证自行研制的瑞利散射测风激光雷达的性能及应用价值,将激光雷达测量的风速风向廓线与探空气球测量结果进行对比,结果吻合得较好,高度10 km以下风速最大差距3.0 m/s,20 km以下最大差距4.5 m/s;风向除拐点外标准差最大32。连续探测结果显示了强劲的西风急流和风向转换特征,急流中心的高度一般在10~12 km,中心最大风速接近70 m/s,最小风速不低于30 m/s,20 km左右拐点最小风速不足1 m/s,20 km以上风速逐渐增加 ;在20 km以下风向为西风,在270左右变化,20 km以上为东风,在90左右变化。探测结果表明瑞利散射测风激光雷达既能跟踪大尺度季节性气候特征的变化规律,又能突出小尺度瞬态气候特征的形成、演化过程。