Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术

相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪, Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点. 本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统, 构建了风速反演的数学模型, 利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能. 数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出, 采用SineSqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离, 并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响, 从而实现视场展宽. 结果表明: 采用SineSqr函数拟合法可获得在±100 m·s^-1的径向风速范围内<0.45 m·s^-1的风速误差, 克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点; 视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下, 能最大补偿1°的视场角. MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础. 关键词： 激光雷达 条纹成像Mach-Zehnder干涉仪 风速反演 视场补偿     

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.     

基于菲佐干涉仪测风激光雷达的误差分析

详细分析了基于菲佐(Fizeau)干涉仪测风激光雷达利用条纹重心法反演风速时的方法误差和系统噪声引起的测量误差。提出了方法误差的修正方法,推导出了测量误差理论公式。并用蒙特卡罗方法模拟了低对流层的回波信号,并对其进行条纹重心法风速反演。结果表明:方法误差和气溶胶与分子后向散射比有关,噪声引起的测量误差与信号强度和气溶胶与分子后向散射比有关。在0~5 km,高度采用条纹技术测量的风速误差小于1 m/s。     

相干激光雷达中最大似然离散谱峰值估计及Monte Carlo仿真

相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速。基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然(ML)离散谱峰值(DSP)风速估计算法的克拉美-罗下界(CRLB)与由Fisher信息矩阵论得到的精确CRLB之间的关系。其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数。分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响。计算仿真结果表明:ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为-20dB,100发激光脉冲累积和信噪比为-30dB,10 000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中"坏"的估计值所占的比例都为0,"好"的估计值的标准差分别为0.62m/s和0.50m/s。     

机载C波段全极化SAR海面风矢量反演理论研究及实验验证

机载全极化SAR海面风矢量反演研究对于近海岸复杂气象条件下风矢量探测具有重要意义. 本文从极化散射理论出发,通过分析全极化SAR探测数据与海面风矢量的关系, 设计了全极化SAR海面风矢量反演方案.依据机载SAR高机动性和全极化两个探测特点, 针对VV极化探测数据,提出了基于最大似然估计的海面风矢量反演方法,并设计了飞行实验方案; 针对VH极化探测数据,提出了通过带约束最优拟合的VH极化海面散射模型反演风速, 再利用CMOD5地球物理模型函数计算风向的海面风矢量反演方法. 利用机载全极化SAR探测的台风'海葵'边缘数据,开展了海面风矢量反演实验研究. 研究结果表明,两种风矢量反演方法均可不借助辅助信息,反演复杂气象条件下的海面风矢量. 前者反演风向、风速的均方根误差分别为18.0°, 1.8 m/s, 后者反演风向、风速的均方根误差分别为9.3°, 1.2 m/s,后者的反演精度优于前者. 这是因为VH极化归一化雷达截面与风向和雷达入射角无关,仅与风速密切相关, 更适合复杂气象条件下的海面风矢量反演. 关键词： 机载全极化SAR 海面风矢量 理论研究 实验验证     

基于相关计算的激光雷达二维风场探测

提出了一种基于相关计算的激光雷达三光束二维风场反演方法。三束激光从同一平面发射,通过计算三束激光时间序列上的回波信号相关性反演二维风场信息。详细阐述了三光束二维风场反演方法的原理和计算过程,基于此方法搭建了相关二维测风激光雷达系统,实现了30 m距离分辨率和1 s时间分辨率的二维风场探测。分析了系统中激光雷达夹角对测量结果的影响和相关计算时不同时间序列长度下相关系数曲线的变化,给出了合适的激光雷达夹角和时间序列长度。用该系统进行了水平测风实验,对比了系统探测数据和探测路径上风塔的风速、风向传感器数据,结果表明系统和传感器的数据具有较好的一致性。     

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.     

激光外差光谱仪模拟风场探测

中高层大气风场是表征中高层大气环境的重要参量,对中高层大气风场的探测在民用和军用领域有着重要意义.激光外差光谱技术是近年来迅速发展的一种高光谱分辨率和灵敏度的被动式遥感探测技术,以激光外差光谱技术为核心研制的激光外差光谱仪因具有体积小、重量轻、结构稳定等特点,在星载测量中高层风场领域有巨大的潜力和应用前景.激光外差光谱仪的地面风场探测性能验证是其应用到卫星上的关键环节,本文利用实验室环境下建立的风场模拟装置实现0—25 m/s的风速变化,并基于光谱分辨率为0.003 cm^-1激光外差光谱仪分别测量了无风速变化和不同风速下的CH₄吸收谱,测量风速的分辨率为3 m/s.使用光纤F-P干涉仪、波长计和参考池对激光器输出光频率进行实时的相对定标和绝对定标.通过计算吸收光谱中心频率的偏移量,反演得到风场风速,并与风场模拟器风速对比,相对误差为1.49 m/s.该实验对激光外差光谱仪测风性能进行有效验证,证明了使用激光外差光谱仪进行中高层大气风场测量的可能性.     

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.     

扫描式测风激光雷达的风场反演

为了解决扫描式测风激光雷达斜上方空域三维风场分布探测的难题,提出采用多点规则采集、四波束分组结算、多区域融和的方式进行观测区域的风场反演。以速度可控的硬目标作为研究对象,通过比较合成后的风速大小与控制速度的差异验证了该反演方式的有效性。通过设计精度试验,对实际风场进行测量。对雷达测量结果与三维超声波风速风向仪测量数据进行对比,结果表明：采用该风场反演技术对距离400 m内的风场进行推算,风向精度优于5°,风速精度优于2 m/s,能够准确描绘探测区域的风场信息。     

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。     

机载光纤多普勒测风激光雷达风场反演及实验验证

通过分析1 550 nm全光纤机载多普勒测风激光雷达系统的测量模式特征,给出飞机速度校正方法、机载系统风场反演模型和算法,实现了机载大气三维风场的反演和显示软件。利用机载激光雷达的飞行试验数据,结合实时测量的小球测风数据,进行了风场信息的反演和结果的对比印证,统计4个架次的风廓线测量结果,两者的水平风速标准偏差小于1.4 m/s,风向标准偏差小于10°,相关系数都达到0.95以上,从实验结果上验证了激光雷达的工作性能和数据反演算法的准确性。     

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。     

高度计风速与辐射计风速的变分融合研究

为实现高度计风速与辐射计风速的融合, 采用Kriging插值方法将辐射计风速插值到高度计路径得到高度计风速观测算子, 建立高度计风速与辐射计风速融合的代价函数; 利用变分方法求解分析风速, 得出融合结果. 分别在仅高度计风速有误差、 仅辐射计风速有误差和两者都有误差的情况下开展了模拟试验, 结果表明变分融合结果更接近于理想风速, 尤其在高度计路径上更为明显. 选取Jason-1高度计第241周期风速资料和与其时空匹配的国防气象卫星计划 F17上所搭载的专用传感器微波成像仪辐射计风速资料开展了实例试验, 结果表明融合后的结果更加接近于浮标观测结果, 证实了变分融合方法的有效性. 经统计, 上述高度计和辐射计资料有60%时空匹配, 开展风速融合有重要的理论及应用价值. 该变分融合方法可应用于我国海洋二号卫星所载高度计与辐射计风速反演结果的融合. 关键词： 高度计 辐射计 风速 融合     

Correction of temperature influence on the wind retrieval from a mobile Rayleigh Doppler lidar

A mobile Rayleigh Doppler lidar based on double-edge technique is implemented for simultaneously observing wind and temperature at heights of 15 km-60 km away from ground.Before the inversion of the Doppler shift due to wind,the Rayleigh response function should be calculated,which is a convolution of the laser spectrum,Rayleigh backscattering function,and the transmission function of the Fabry-Perot interferometer used as the frequency discriminator in the lidar.An analysis of the influence of the temperature on the accuracy of the Une-of-sight winds shows that real-time temperature profiles are needed because the bandwidth of the Rayleigh backscattering function is temperature-dependent.An integration method is employed in the inversion of the temperature,where the convergence of this method and the high signal-to-noise ratio below 60 km ensure the accuracy and precision of the temperature profiles inverted.Then,real-time and on-site temperature profiles are applied to correct the wind instead of using temperature profiles from a numerical prediction system or atmosphere model.The corrected wind profiles show satisfactory agreement with the wind profiles acquired from radiosondes,proving the reliability of the method.     

合成孔径雷达反演海面风场变分模型分析

为考察合成孔径雷达反演海面风场变分模型精度,开展了误差分析试验.在背景场误差为极大值条件下分析场误差低于背景场误差,且随背景场风向增大呈周期性变化;在背景场误差逐渐变大条件下分析场误差逐渐增大,误差偏离方向与背景场误差偏离方向一致;在特定背景场条件下与直接反演模型相比,低风速时反演误差略高,中高风速时反演误差明显较低.总体来讲,变分模型误差小于背景场误差,风速反演误差小于1.60 m/s,风向误差小于17.15°.