连续模式相干测风激光雷达性能优化分析及实验研究

基于风场探测的需求,采用1 550 nm波长连续激光种子源搭建了一套全光纤结构多普勒相干测风雷达系统。从雷达方程出发,对连续激光相干雷达载噪比方程和不同雷达收发望远镜聚焦位置下风速合成权重进行了分析。针对测风雷达要求设计了5~200 m的变焦激光收发望远镜模块。扩束系统采用伽利略折射式结构,发射光束准直下扩束比为23,光学质量接近衍射极限。标定测试通过对旋转电机圆盘转速测量完成。转盘转速范围为-3 000 r/min到+3 000 r/min,转盘直径为26 cm。在视向速度多普勒频移分别为正向和负向时,雷达系统速度测量结果与通过圆盘转速计算值的相关系数为0.998与0.993,标准差为0.151 m/s和0.229 m/s。使用该测风激光雷达开展室外大气风速探测实验,取得了良好效果。     

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。     

Design and performance simulation of a molecular Doppler wind lidar

A mobile molecular Doppler wind lidar at an eye-safe wavelength of 355 nm based on double-edge technique is being built in Hefei （China） for wind measurement from 10-to 40-km altitude. The structure of this lidar system is described. A triple Fabry-Perot etalon is employed as a frequency discriminator whose parameters are optimized. The receiver system is designed to achieve compactness and stability by putting in a standard 19-inch socket bench. Simulation results show that within the wind speed dynamic range of ±100 m/s, the horizontal wind errors due to noise are less than 1 m/s bdow 20-km altitude for 100-m vertical resolution, and less than 5.5 m/s from 20 km up to 40 km for 500-m vertical resolution with 400-mJ laser energy, 30-min temporal resolution, and a 45-cm aperture telescooe.     

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。     

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.     

激光雷达数据应用于海气界面气体传输速率的估算

选取2007年1、4、7、10月4个月夜间无云的云-气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星(CALIPSO)星载激光雷达Version 3.01数据,提取532nm激光海面后向散射系数并计算海面波浪均方斜率。同时选用准同步AMSR-E海面风速数据,利用Wanninkhof等于2009年提出的包含线性、平方、立方项的海面风速与气体传输速率混合关系模型计算海水施密特数为660时的海气界面气体传输速率k660。通过回归分析,得到由星载激光雷达数据反演k660的关系模型。将激光雷达数据反演结果与采用4种典型海面风速关系模型的计算结果进行比较,给出由星载激光雷达数据反演的4个月平均的海气界面气体传输速率全球分布图和纬度分布图。研究表明,CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据可用于反演海气界面气体传输速率。     

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。     

2-microm Doppler lidar transmitter with high frequency stability and low chirp

A coherent Doppler lidar system was frequency stabilized in a master-slave configuration by a phase-modulation technique. The short-term frequency stability, ~0.2 MHz rms, was maintained in a vibrational environment on a ship during a field campaign in the tropical Pacific Ocean. The long-term frequency stability was <2.6 kHz/h. Thus, in many applications, shot-to-shot frequency correction can be disregarded, which will result in increased speed and simplicity of the data-acquisition system. A frequency chirp could not be detected. These properties permit Doppler wind measurements with high efficiency and duty cycles to be made, even on airborne and spaceborne platforms.     

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.     

米散射多普勒激光雷达性能改进

介绍了自行研制的米散射多普勒激光雷达的系统结构。针对系统存在的问题,对接收机子系统、工作时序、扫描方式等方面作了改造。实验结果表明:改造后系统光学鉴频器的频谱稳定性提高了2.8倍;消除了系统近距离的探测盲区;在0~2.5 km的高度范围内,当垂直距离分辨力为21.2 m、脉冲累积数为9 000发时,改造后的米散射多普勒激光雷达系统连续30 min测量的水平风速大小和方向的标准偏差的最大值分别小于1 m/s和18.3°,平均值分别小于0.43 m/s和7.7°;与探空仪的风场对比测量结果吻合得很好;当每个径向脉冲累积数为1 000发时,采用四波束扫描获得的2 km以下东西方向径向风速的相关系数为0.99,偏差为-0.038 m/s,标准偏差为1.34 m/s。     

地基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上的大气风场的速度矢量。由这些测得的矢量可反演大气风场群速的速度矢量。在本文中,我们将讨论利用单一LDV系统,激光束的扫描方式采用圆锥扫描,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。     

Metal fluorescence lidar (light detection and ranging) and the middle atmosphere

Metal fluorescence lidar (light detection and ranging) has come of age as a tool for exploring the middle atmosphere. The Colorado State University sodium lidar system exemplifies these lidar systems, using a number of interesting techniques to achieve measurements of temperature and wind speed in the middle atmosphere. This and other fluorescence lidar systems have illuminated a number of interesting properties of the mesopause region (within the middle atmosphere). This paper reviews both the laboratory physics necessary to construct fluorescence lidar systems, and the advances in atmospheric science that have resulted from the data collected.     

Rlationship between the aerosol scattering ratio and temperature of atmosphere and the sensitivity of a Doppler wind lidar with iodine filter

The sensitivity of Doppler wind lidar is an important parameter which affects the performance of Doppler wind lidar. Aerosol scattering ratio, atmospheric temperature, and wind speed obviously affect the mea- surement of Doppler wind lidar with iodine filter. We discuss about the relationship between the measurement sensitivity and the above atmospheric parameters. The numerical relationship between them is given through the theoretical simulation and calculation.     

基于单Fabry-Perot标准具的双频率多普勒激光雷达数据反演技术

本文导出了大气后向散射信号光入射到Fabry-Perot (F-P)标准具的有效透过率表达式. 在基于单F-P 标准具的双频率多普勒激光雷达系统中, 采用平均值法定量分析了瑞利后向散射信号对风场测量准确度的影响. 提出了同时反演风速和后向散射比的非线性迭代方法, 并通过仿真试验验证了该方法的有效性. 同时, 导出了径向风速和后向散射比测量误差的具体表达式, 并据此进行了仿真. 仿真结果表明: 若假定望远镜接收到的总后向散射光子数为50000, 径向风速测量误差随后向散射比的增大迅速减小, 在±25 m/s的风速测量动态范围内, 当R_β > 1.2时, 误差小于3 m/s; 后向散射比测量误差随后向散射比的增大而增大, 与径向风速大小几乎无关, 当R_β<10时, 相对误差小于13%. 关键词： 多普勒激光雷达 Fabry-Perot标准具 边缘技术 双频率     

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。     

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。     

基于星载激光雷达数据的海面风速探测

使用新版(Version 3.01)星载激光雷达CALIPSO Level 1剖面数据和Level 2的大气气溶胶光学厚度(AOD)数据反演全球海面风速。将AOD数据用于大气双程透射率的校正。对CALIPSO所采集的2007年1月、4月、7月和10月532nm波长无云激光测量数据进行应用计算,采用532nm退偏比经验修正海面白帽及水下次表层水体散射的影响,同时选用准同步的AMSR-E海面风速测量值为真值进行对比。对应2007年的4个月,由CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据反演海面风速的标准偏差分别为1.24、1.24、1.24、1.20m/s,由5km滚动平均数据反演海面风速的标准偏差分别为0.98、1.02、0.98、0.94m/s。结果表明,采用的数据反演方法可行且数据利用率得到提高。     

基于菲佐干涉仪与多通道光电倍增管阵列的多普勒频移检测技术

提出了基于菲佐干涉仪和多通道光电倍增管(PMT)阵列探测器组合的多普勒频移检测的方案,适用于风速测量的直接探测多普勒激光雷达。首先介绍了工作原理,再根据菲佐干涉仪光谱特征对频移检测用干涉仪进行了优化设计,优化设计的菲佐干涉仪腔长150mm、平板反射率0．755。对提出的菲佐干涉仪和多通道光电倍增管阵列探测器组合的方案进行了数值模拟,以分子散射作为背景噪声,计算了该方法的风速测量误差。模拟结果表明,设计的基于菲佐干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达,在30 s的积分时间内、探测高度5 km以下,风速测量误差可以达到0．56 m/s。     

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。     

不同风速下侧向散射激光雷达的回波信号分析

对不同风速条件下,CCD侧向散射激光雷达的回波信号进行了分析.根据Mie散射原理及侧向散射激光雷达工作原理,确定了大气气溶胶浓度与激光雷达侧向散射光强的相关性;进一步考虑气溶胶浓度与风速的关联,利用实验装置获取了激光雷达侧向散射光强与风速的关系,分析了不同风速条件下侧向散射激光雷达的回波信号.在轴流风机以及自然风两种条件下进行对比实验发现,当风速范围在1~4.5 m/s时,侧向散射光强随风速的增加而增加;当风速范围在4.5~6.0 m/s时,光强随风速的增加较少.对实验结果归一化处理,得到风速范围在1~4.5 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强在轴流风机及自然风的实验条件下分别增加了3.7%和3.9%;风速范围在4.5~6.0 m/s时,风速每增加1 m/s,侧向散射光强分别减少了3.1%和3.8%,在自然风况的各个风向上都基本符合这一变化趋势.