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．     

Mobile Rayleigh Doppler wind lidar based on double-edge technique

<正>We describe a mobile molecular Doppler wind lidar(DWL) based on double-edge technique for wind measurement of altitudes ranging from 10 to 40 km.A triple Fabry-Perot etalon is employed as a frequency discriminator to determine the Doppler shift proportional to the wind velocity.The lidar operates at 355 nm with a 45-cm-aperture telescope and a matching azimuth-over-elevation scanner that provides full hemispherical pointing.To guarantee wind accuracy,a single servo loop is used to monitor the outgoing laser frequency to remove inaccuracies due to the frequency drift of the laser or the etalon.The standard deviation of the outgoing laser frequency drift is 6.18 MHz and the corresponding velocity error is 1.11 m/s.The wind profiles measured by the DWL are in good agreement with the results of the wind profile radar(WPR).Evaluation is achieved by comparing at altitudes from 2 to 8 km.The relative error of horizontal wind speed is from 0.8 to 1.8 m/s in the compared ranges.The wind accuracy is less than 6 m/s at 40 km and 3 m/s at 10 km.     

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。     

二维等离子体并行PIC模拟的性能分析及应用

通过区域分解法实现了二维等离子体粒子模拟程序并行化,并将此程序运行在由16个PentiumⅢ1 6GCPU组成的微机机群上,对其性能进行了测试.结果表明,在计算规模一定的情况下,并行程序的并行效率随计算结点的增加而降低;而在计算节点不变的情况下,并行效率随计算规模的增加而增加,并行计算更适合于计算规模大的物理问题.利用此并行程序计算了等离子体中的束流不稳定性,结果表明,在波动激发的线性增长阶段,等离子体束流激发的Alfv啨n波基本上沿背景磁场方向传播,其波数满足共振条件ω-kVb=-Ωi,其中ω和k分别为Alfv啨n波的频率和波数,Vb为束流的速度,Ωi为离子的回旋频率.     

高功率光纤激光器中ASE噪声的测量方法（英）

高峰值功率脉冲光纤激光器在激光雷达系统中有着广泛的应用。然而,光纤激光器中放大自发辐射噪声（ASE）严重影响了系统的探测性能。提出一种测量高峰值功率脉冲光纤激光器中ASE噪声的方法。在该方法中,首先对高峰值功率的激光脉冲衰减,然后在时域分别测量和计算ASE噪声和激光脉冲的相对能量。给出了光纤激光器在驱动电流分别为6 A,7 A和8 A时衰减后的ASE噪声廓线以及ASE噪声占激光脉冲能量的比例。     

基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层温度探测

报道了一种基于扫描F-P标准具的高光谱分辨低平流层大气温度探测技术。通过扫描F-P标准具,获得大气分子瑞利后向散射的透过率分布。对该透过率进行非线性拟合,由拟合得到的谱宽计算大气温度分布。为了减小频率不稳定引起的系统误差,采用静态的F-P标准具实时监测激光出射频率,并在数据处理中进行补偿。由时间分辨率2000s的激光雷达原始信号的信噪比,根据最大似然估计误差分析,该方法在30km以下的探测误差小于1.9K,50km以下的探测误差小于9.8K。在对比实验中,在18~36km高光谱分辨激光雷达与探空气球探测的温度廓线最大偏差4.7K;在27~34km,高光谱分辨激光雷达与瑞利积分激光雷达探测的温度最大偏差2.7K。在15~27km,由于气溶胶的污染,瑞利积分激光雷达的温度明显偏离其他两种探测结果,最大偏差达22.8K。     

二维粒子模拟方法及在空间物理中应用

在粒子模拟的PIC(particle in cell)模式中,与场有关的物理量如电磁场等分配在固定的网格点上,而粒子则可在计算区域的任意位置上.设计了一个二维三分量的粒子模拟程序,并用它计算了空间物理中两种常见的物理现象:束流不稳定性和磁场重联.在束流不稳定性问题中,一束速度为Vb=10VA(VA为Alfv啨n速度)的等离子体在背景等离子中运动,通过波粒相互作用可激发沿磁场方向传播的Alfv啨n波.在磁场重联问题中,具有Harris形态的电流片可自发地引起磁场重联,并且By分量的磁场具有四极形分布.     

Analysis of Detectors and Transmission Curve Correction of Mobile Rayleigh Doppler Wind Lidar

A mobile molecular Doppler wind lidar （DWL） based on double-edge technique is presented for wind measurement at altitudes from 10 km to 40 km. A triple Fabry-Perot etalon is employed as a frequency discriminator to determine the Doppler shift proportional to the wind velocity. The lidar operates at 355 nm with a 45-cm aperture telescope and a matching azimuth-over-elevation scanner that can provide full hemispherical pointing. In order to guarantee the wind accuracy, different forms of calibration function of detectors in different count rates response range would be especially valuable. The accuracy of wind velocity iteration is improved greatly because of application of the calibration function of linearity at the ultra low light intensity especially at altitudes from 10 km to 40 km. The calibration functions of nonlinearity make the transmission of edge channel 1 and edge channel 2 increase 38.9% and 27.7% at about 1 M count rates, respectively. The dynamic range of wind field measurement may also be extended because of consideration of the response function of detectors in their all possible operating range.     

移动式多普勒激光雷达光束扫描及风场反演技术研究

移动式多普勒激光雷达在外场实验过程中,考虑到工作平台的随机性,测量坐标系很可能不再是地面参考坐标系,这为三维矢量风场的反演带来困难。提出采用三维空间坐标旋转变换的方法建立了测量坐标系与地面参考坐标系的一般关系式,并进一步导出了反演三维风场的普遍公式。此外,在光束扫描过程中,由于二维扫描仪加工精度等的限制,光束存在一定的定向误差。采用Monte-Carlo模拟方法定量研究了光束指向偏差引起的风场测量误差,结果表明,当水平风速为100m/s时,1°的光束定向误差引起的水平风速大小误差为0.712m/s,方向误差为0.704°,与理论计算结果一致。理论分析结果还表明:当水平风速为100m/s时,1°的光束最大定向偏差引起的水平风速大小的最大偏差为1.16m/s,方向最大偏差为1°。     

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