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.     

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.     

开放式风速控制系统的研制

在海洋工程结构动力模型模拟试验中,为了实现开放环境下风荷载的实验室模拟,研发了一套开放式风速模拟控制系统;简要介绍了系统的整体结构设计和软件开发流程;由于在开放环境下进行风速的控制容易受到外界气流、温度等环境因素的影响,控制难度大且建模较困难,采用专家-模糊自适应PID控制算法,能够较好地跟踪目标风速,实现了对风速的实时模拟控制;最后通过实验验证了所设计的开放式风速控制系统能够满足实验要求。     

矢量风速仪的设计

为了解决机械式风速仪对方向测量的局限性,使用了单向叶轮传感器的矢量三维风速仪,风速传感器采用叶轮带动空心杯电机的结构,通过单片机对三维组合单向速传感器进行采集和风速矢量合成,实现了对风的大小和方向的测量.实验结果表明:该设计在对风速矢量的二维测量上,风速大小和方向的测量均具有很高的可靠性;在对风速矢量的三维测量上,风速大小的测量值也比较精确,风速方向的测量值误差比较小.     

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)。     

环境风影响下的空冷岛运行特性

揭示环境风作用下空冷岛冷却空气流量和热风回流率的变化规律对于空冷岛安全高效运行具有重要意义.以某6×1000 MW直接空冷电站为例,对环境风影响下的空冷岛冷却空气流动传热特性进行了CFD模拟,获得了不同风速、风向下冷却空气的流场和温度场,计算得到了空冷岛的迎面风速以及热风回流率.结果表明:环境风速越高,空冷岛迎面风速越小;回流率则先随环境风速增加而增加,后随风速增加而降低.当空冷岛位于锅炉房等建筑物下游时,迎面风速最小,热风回流率最高.     

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     

不同腔结构下的声光调Q双包层光纤激光器特性研究

报道了半导体激光器端面抽运不同结构的声光调Q的双包层光纤激光器的脉冲输出特性. 对前向、后向不同抽运方式的掺镱调Q双包层光纤激光器在输出平均功率,调Q脉冲宽度及脉冲稳定性进行了对比及讨论;其中后向抽运的光纤激光器,在10kHz重复频率调制下,获得了斜效率为60％的平均功率输出,其脉冲宽度为52ns,单脉冲能量为03mJ. 最后利用不同抽运方式下的速率方程,理论分析调Q脉冲的特性,分析结果与实验相符. 关键词： 双包层光纤激光器 声光开关 前向抽运 后向抽运     

脉冲激励下超音速混合层涡结构的演化机理

采用大涡模拟方法对脉冲激励作用下的超音速混合层流场进行数值模拟,所得结果清晰展示了流场中涡结构的独特生长机理.基于涡核位置提取方法,对超音速混合层流场中涡结构的空间尺寸和瞬时对流速度等动态特性进行了定量计算.通过分析流场中涡结构的动态特性在不同频率脉冲激励下的变化,揭示出受脉冲激励超音速混合层流场中涡结构的演化机理:涡结构的生长不再是依靠相邻涡-涡结构之间的配对与融合,而是通过涡核外围的一串小涡旋结构被依次吸进涡核来实现,且受激励流场中各个涡结构的空间尺寸变化较小;流场中的涡结构数量与脉冲频率成正比例关系,而涡结构的空间尺寸与脉冲频率成反比例关系;涡结构的平均对流速度随脉冲频率的增大而减小.针对受脉冲激励超音速混合层,给出了能够表征涡结构特性与脉冲激励参数之间关系的方程式,即受激励流场中涡结构的平均对流速度与脉冲周期的乘积近似等于流场中涡结构的空间尺寸(涡结构平均直径).     

梯度倾斜相关测量水平C_n~2和横向风速廓线的理论与仿真研究

根据Rytov近似以及泰勒湍流冻结假设,推导出以不同距离的前向散射光为信标的水平路径上梯度倾斜角的相关表达式.基于该表达式,在理论上提出了计算湍流强度与横向风速的新方法,并通过数值仿真对该方法进行了初步验证.结果表明,在5%高斯误差情况下,大气折射结构常数和风速的计算结果与理论真值在整体变化上具有较好的一致性,线性相关系数分别能达到0.8与0.9.该方法能够得到不同湍流与风速条件下的湍流强度廓线以及风速廓线,为反演大气湍流强度以及风速提供了一种新思路.     

模拟大气风场及其数据处理技术的研究

热层大气风速的测量可以采用干涉法来进行,由于光源（气辉辐射谱线）的强度很弱,故干涉法对测量系统要求很高。利用半导体激光器（LD）的调制特性和法布里-帕罗干涉仪(FPI)的高光谱分辨能力设计了一种用简单设备进行大气风场模拟与测量的方法。改变LD的驱动电流使其输出激光频率改变,从而模拟气辉辐射的多普勒频移,通过分析FPI获得的干涉图可检测出该频移,进而得到等效风速。模拟风速的相对误差不超过6.5%,最小模拟风速为20.01m/s,且测量结果与LD的线性调制特性很相符。使用该方法可以有效地对多普勒风速测量原理、数据处理方法、系统性能以及测量误差进行分析和评估。     

非对称空间外差干涉仪相位探测和漂移校正

针对多普勒非对称空间外差干涉技术,提出一种目标信号相位自校正的方法.首先通过连续采样单色光的干涉图跟踪绝对相位漂移;然后分段线性拟合不同风速下的干涉相位,通过计算两条拟合曲线距离去除相位漂移.搭建风速模拟实验平台,获得采样干涉图,并对相位误差进行校正.结果表明,在60.37 m/s的模拟风速下,相位漂移误差达到30.78 m/s,通过相位校正风速反演误差降低至3.51 m/s,风速精度得到较大改善.最终通过几组不同风速下的反演值得到了平均2.97 m/s的风速测量精度.     

风速对空气源热泵翅片管换热器结霜特性影响

针对风速对空气源热泵翅片管室外换热器结霜特性的影响进行了实验研究.实验结果表明,结霜量随风速的增加不是成线形增长,在风速为1.3m/s时结霜量最小.霜层厚度随着风速的增加反而减小,而翅片管换热器的最大换热量随着风速的增加而增加.     

超短脉冲在光子晶体中传播时的色散参量

利用最小二乘拟合法分析了光子晶体的能带结构,定量分析了二维光子晶体的色散参量.为了考虑脉冲各频率的作用,通过引入与频率分量相关的权重因子,从而解析了群速度和平均群速度色散,进而解析出脉冲波络渐变的理论结果.通过FDTD数值模拟后,发现数值模拟结果与理论解析结果完全相吻合.本文处理光子晶体的色散参量的方法,为制作光子晶体色散器件如光子晶体色散补偿器、脉冲展宽和压缩器有一定的借鉴作用.     

超短脉冲在光子晶体中传播时的色散参量(英文)

利用最小二乘拟合法分析了光子晶体的能带结构,定量分析了二维光子晶体的色散参量.为了考虑脉冲各频率的作用,通过引入与频率分量相关的权重因子,从而解析了群速度和平均群速度色散,进而解析出脉冲波络渐变的理论结果.通过FDTD数值模拟后,发现数值模拟结果与理论解析结果完全相吻合.本文处理光子晶体的色散参量的方法,为制作光子晶体色散器件如光子晶体色散补偿器、脉冲展宽和压缩器有一定的借鉴作用.     

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。     

基于Fournier Forand体积散射函数的水中激光脉冲后向散射特性分析模型

基于Fournier Forand体积散射函数,建立了一种水中激光脉冲后向散射仿真模型.运用该模型可用Monte Carlo方法模拟光子在水中的传播过程,并得到光波后向散射的冲击响应.将初始激光脉冲与冲击响应进行卷积并求其傅里叶谱,即可得到激光脉冲后向散射信号的时域和频域特征.利用该模型分析了入射为高斯型激光脉冲时,水...     

短脉冲激光尾流场中的前向Raman散射

用212维粒子模拟分析了前向Raman散射对激光尾流场加速电子的影响.前向Raman散射使脉冲长度在传播方向上被拉长，脉冲后沿变陡，产生的尾流场相速度明显减小，而且超热电子的最大动能明显小于理论估计值.此外激光频率整体向低频移动.     

重复频率1.2 GHz皮秒脉冲全光纤掺镱激光器

研究实现了基于半导体可饱和吸收体被动锁模的高重频全光纤掺镱皮秒脉冲激光器.种子源采取环形腔结构,当抽运功率为112mW时,获得了稳定的锁模脉冲激光,其中心波长为1 064.1nm,3dB谱宽为3.6nm,脉冲宽度为4.2ps,重复频率为19.2MHz.受限于谐振腔长度,光纤激光器重复频率很难得到进一步提高.因此设计并搭建了一种基于分束器和延时光纤的全新低损耗高重频脉冲调制器,将种子激光重复频率提高到1.2GHz.该设计有效降低了脉冲在耦合过程中的能量损耗,为提高全光纤超短脉冲激光器重复频率提供了新途径.     

不同腔结构下的声光调Q双包层光纤激光器特性研究

报道了半导体激光器端面抽运不同结构的声光调Q的双包层光纤激光器的脉冲输出特性.对前向、后向不同抽运方式的掺镱调Q双包层光纤激光器在输出平均功率,调Q脉冲宽度及脉冲稳定性进行了对比及讨论;其中后向抽运的光纤激光器,在10 kHz重复频率调制下,获得了斜效率为60%的平均功率输出,其脉冲宽度为52ns,单脉冲能量为0.3mJ.最后利用不同抽运方式下的速率方程,理论分析调Q脉冲的特性,分析结果与实验相符.