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.     

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。     

全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s-1)鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s-1))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s-1大动态范围内风速误差小于1 m·s-1的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。     

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.     

新型双通道Mach-Zehnder干涉仪多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪可作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中.鉴于一般M-Z干涉仪的稳定性差,不易于调节的缺点,提出一种基于双棱镜结构的新型双通道M-Z干涉仪作为多普勒测风激光雷达鉴频器件.在进行探测原理分析的基础上,利用光学设计软件对其鉴频系统结构进行了参量优化设计和系统仿真.通过设定实验参量并进行光线追迹模拟仿真实验结果,应用反演理论获得了风速值.利用多普勒频移公式计算获得理论风速并与仿真结果进行了对比,结果表明反演仿真风速与理论风速值基本吻合,标准差为0.46m/s.此新型双通道M-Z干涉仪可以作为鉴频器件应用于多普勒测风激光雷达系统中,在光路的调节及提高系统稳定性上具有优势.     

基于Fizeau干涉仪的激光雷达测温方法研究

气温是描述大气状态的基本参数之一,温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器,已经用于气象要素的探测中（风、温度、气溶胶的光学厚度等）。目前,测温激光雷达主要有拉曼激光雷达（振动和转动）、共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等,拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器;共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度;基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量,反演温度时需要建立响应函数和校准程序;基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法,时间分辨率较低,并且该方法在测量过程中需要运动部件,所以不利于星载。在大气低层,分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响,两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布,直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度,会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响,所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量,提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量,并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制,从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小,最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外,还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性,利用Matlab软件建立了一套仿真模型,通过模拟表明,在不考虑云、风和水汽含量的影响时,利用该方法测量对流层内的大气温度时,测量误差小于1 K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件,有较高的使用价值,并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。     

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     

菲佐测风激光雷达及风速反演算法

 研制了基于菲佐干涉仪的测风激光雷达系统,并使用高斯拟合法和最大似然法反演风速,对两种风速反演方法进行了分析,结果表明：风速较小时,两种方法具有相似的风速反演精度,但高斯拟合法收敛快、受条纹信噪比影响较小;风速较大时,高斯拟合法会由于条纹移出而产生较大误差,而最大似然法在处理风速较大情况时具有优势。实际风速测量时,应根据风速估计值的大小,采用两种方法分别处理大风速和小风速时的情况。最后,使用研制的测风激光雷达系统和风速反演算法,得到了1.5 km以内的大气风速廓线。     

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。     

基于光纤Mach-Zehnder干涉仪多普勒激光雷达鉴频器的校准及风速探测(英文)

分析了光纤Mach-Zehnder干涉仪作为鉴频器的多普勒激光雷达风速探测灵敏度及动态范围与光程差的关系.当光纤Mach-Zehnder干涉仪光程差从0.1 m变化到1.5 m时,对应风速探测范围从±199.5m/s变化到±13.3m/s.光程差为0.45m时,风速变化1m/s对应的最高灵敏度为2.15%.光程差误差将导致风速反演误差.当光程差为0.145 9m和1.088 9m时,1nm的光程差误差将导致反演风速误差分别为1.028m/s和0.138m/s.应用激光波长调谐的方法得到光纤Mach-Zehnder干涉仪的透过率曲线,由自由光谱范围精确确定了光程差的值.应用此干涉仪作为鉴频器的激光雷达完成了实际风速探测,反演风速与相干探测风速具有较好的一致性,证明了校准探测的正确性.     

星载被动光学遥感大气风场探测技术进展综述

大气风场是表征整个地球大气系统动力学特征的重要参数,也是气象预报、空间天气、气候学等领域业务工作和科学研究必需的基础数据。被动光学遥感是大气风场测量领域的主要技术手段之一。本文综述了基于大气移动目标监测和大气光谱多普勒频移探测的两类天基被动光学大气风场测量技术的研究进展,主要介绍了云导风、红外高光谱水汽示踪、测风干涉仪和多普勒调制气体相关4种风场测量技术的基础物理原理和风速反演基本方法,根据每种星载被动光学测风技术体制分类及特点,介绍了代表性风场探测载荷技术研究进展及应用情况,探讨了星载被动光学大气风场探测技术的未来发展趋势。     

多普勒差分干涉仪干涉图信噪比对相位不确定度研究

多普勒差分干涉仪通过测量干涉图相位变化反演大气风速.干涉图信噪比是工程应用中影响测风干涉仪相位反演精度的核心指标之一,基于观测数据分析多普勒差分干涉仪中相位不确定度与干涉图信噪比之间的定量关系建立解析模型,对仪器设计、性能评价及风场数据应用具有重要意义.本文基于傅里叶变换光谱学噪声传递理论和多普勒差分干涉仪相位反演模型,建立干涉图信噪比与相位不确定度传递的理论模型.利用多组不同信噪比仿真及实验实测数据,将相位反演模型计算的统计结果与本文提出的理论模型分析结果进行比较验证,结果表明,多组实验数据平均残差小于0.07 mrad,两者的一致性较好,建立的模型为多普勒差分干涉仪效能评估、干涉仪设计优化提供理论依据.     

相干测风激光雷达的数值建模和仿真分析

根据相干测风激光雷达实际探测光路的传输过程和大气分层理论,建立了相干测风激光雷达的全流程系统仿真模型。基于现有系统参数,分别在常风速模型和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真模拟了高脉冲能量-低脉冲重复率(HPE-LPRF)和低脉冲能量-高脉冲重复率(LPE-HPRF)两种系统的探测过程。通过对比反演风速值的均方误差,分析两种系统的探测性能。仿真结果表明:仿真模型给出的系统信噪比与理论值一致;信号的非相干累加平均处理提高了风速测量精度;非相干累加时间为0.1 s时,在常风速模型和NASA阵风模型下,LPE-HPRF探测系统风速的均方误差分别为0.75 m/s和1.03 m/s,均优于HPE-LPRF探测系统(0.93 m/s和1.25 m/s)。     

星载长波红外测风干涉仪的热漂移效应

星载长波红外气辉成像干涉仪可实现对临近空间平流层区域大气风场信息的遥感观测。然而,长波红外对温度更加敏感,因此会给干涉仪引入更多的误差来源。鉴于此,借鉴平流层风场干涉仪(Stratospheric Wind Interferometerfor Transport,SWIFT)的设计参数,在临边观测正演仿真的基础上,开展了关键部件的相位热漂移研究及背景辐射的热不稳定分析,给出了仪器温度变化引起的风场误差,提出了通过校准泡对光程差相位的监测减小测风误差的方案。不确定度分析表明,如果SWIFT仪器关键部件的温度变化率控制在10-3K/s,Michelson干涉仪和F-P滤光片因热漂移产生的测风误差分别为37m/s和20m/s。当校准泡对光程差相位的监测精度达到10-3rad时,热漂移引入的误差可降至1m/s以内。该研究将为星载全天时临近空间长波红外测风干涉仪的设计及研制提供重要的理论指导。     

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.     

测风非对称空间外差干涉仪绝对相位漂移分析及校正

多普勒非对称空间外差干涉仪可用来探测氧气大气带气辉谱线的多普勒频移,进而反演中高层大气的风速。由风速变化引起的干涉条纹相位频移十分微小,而由系统误差导致的绝对相位漂移会严重影响风速反演精度。双臂式干涉仪与单臂式不同,除受扩视场棱镜和光栅影响之外,用于产生光程差的空气隔片的热膨胀也会影响干涉图的绝对相位。通过实测和仿真计算不同温度下的绝对相位漂移,分析了绝对相位漂移的原因。在此基础上,提出了一种绝对相位漂移校正方法,通过求零风速和某一给定风速下两条线性相位拟合曲线之间的距离,校正温度引起的绝对相位漂移,从而准确反演风速。结果表明,仿真分析与实测的绝对相位漂移具有较好的一致性。校正绝对相位漂移后反演的风速误差为3.5m/s,与校正前相比风速反演误差得到了极大的改善。     

基于氧分子O2(a1Δg)O19P18发射谱线的平流层、中间层大气风场星载探测可行性探讨

提出并分析了以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))发射谱线为目标源进行平流层、中间层大气风场星载临边探测的可行性及优势.基于大气模型和辐射传输理论建立O_2(a~1Δ_g,υ′=0)→O_2(X~3Σ_g,υ″=0)带的辐射传输模型,并分析多重散射和非局地热平衡效应影响下的目标源临边光谱辐亮度.表明发射线O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))自吸收微弱、辐射强、光谱分立度好,能大大降低对测风干涉仪光谱分辨率、滤光系统带宽的要求,进而使载荷更易于实现小型化、高稳定性.以星载测风多普勒差分干涉仪技术方案为例,对以O_2(a~1Δ_g)O_(19)P_(18)(7 772.03cm~(-1))为探测目标源的视线风速反演精度进行了仿真分析,结果表明40～70km高度范围内视线风速测量精度优于5m/s;适当放宽风速反演精度情况下,探测范围能够向40km以下扩展.研究结果将为平流层、中间层大气风场星载探测提供一条低成本、高精度、自主可行的技术路线.     

基于碘分子吸收池的新型瑞利多普勒激光雷达

研制了一套使用种子源直接放大激光器和时分复用收发的新型瑞利多普勒激光雷达。激光器通过对种子源进行多级光纤和固体功率放大,获得了稳定的60 W高平均功率脉冲激光输出。脉冲激光通过时分复用发射系统向垂直、正西和正北方向交替发射进入大气,从三个方向接收到的激光大气回波信号经过光纤合束后送入同一套碘分子吸收池中进行多普勒鉴频。基于上述系统设计开展了系统探测性能仿真研究和实验验证对比分析,仿真结果表明,系统能够在时间分辨率为30 min、垂直高度分辨率为1 km条件下完成大气温度和经纬向水平风速的同步测量,其中60 km高度处温度理论测量误差为1.99 K,经纬向水平风速理论测量误差为4.78 m/s。系统的验证实验结果表明,60 km高度处大气温度的实测误差为2.4 K,经纬向水平风速的实测误差分别为8.7 m/s和8.5 m/s,反演结果与大气模式和卫星探测结果进行对比呈现了较好的一致性。     

光谱稳定性对直接探测多普勒测风激光雷达的影响研究

从种子注入固体激光器的不稳定和多普勒频移检测干涉仪的光谱漂移出发,模拟和分析其对基于双边缘探测技术的直接探测多普勒激光雷达风速测量准确度的影响. 模拟结果显示,在5 min积分时间的30 000个脉冲内,如果达到风速准确度1 m/s,要求激光器出现多纵模的脉冲不能超过总脉冲个数的0.06％.在干涉仪光谱稳定方面,使用两级温控可以将干涉仪温度控制在±0.002℃,对应风速误差为±0.226 m/s.同时提出通过监视种子注入过程中的脉冲建立时间和干涉仪温度,可以在数据反演时,消除激光频率跳动和干涉仪光谱漂移对风速测量准确度的影响.     

基于法布里-珀罗标准具四边缘技术的双频率多普勒激光雷达研究

对基于法布里-珀罗(F-P)标准具四边缘技术的双频率多普勒测风激光雷达进行研究。简要分析了F-P标准具四边缘双频率风速测量原理。详细介绍了基于F-P标准具四边缘双频率多普勒激光雷达系统结构。对发射激光双频率间隔、入射光束发散角、标准具有效口径和标准具干涉平板反射率等参数进行了详细的优化设计。根据选取的系统参数,对多普勒激光雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:晴天天气条件下,在±25m/s的径向风速测量动态范围内,在满足径向风速误差小于2m/s的情况下,当发射激光仰角为60°、距离和时间分辨率分别为60m和1min时,系统在晚间和白天的探测高度分别可达到8km和6.5km。系统在晚间的整体探测性能明显要优于基于F-P标准具双边缘技术的多普勒测风激光雷达系统。同时,系统的探测性能受天空背景噪声的影响较大,系统在白天工作时应采用窄带宽的滤光片以提高系统的探测性能。