相干多普勒激光测风雷达系统研究

大气中风速和风场分布的精确测量具有重要的军用和民用价值。近20年来,相干激光雷达对风场的遥测被经常用于大气边界层风场的精确测量。首先介绍了相干激光测风雷达的工作原理;然后对其相关的指标体系进行了详细的分析和论证,主要包括工作波长、探测灵敏度、测速精度以及作用距离与发射功率的关系等技术指标;最后给出了目前较优的相干激光测风雷达系统的技术方案和技术途径。在此基础上,采用1.5μm窄线宽激光光源设计了一套全固态、小型化激光相干测风实验装置,并进行了相关实验。     

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1550 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...     

相干多普勒测风激光雷达

 鉴于多普勒测风激光雷达在航空航天、遥感遥测、气象观测等军事及民用领域中的广泛应用,结合相干探测工作原理,介绍了国外几种典型波段相干多普勒测风激光雷达系统,重点分析了激光发射机/接收机、空间扫描、数据处理等关键技术,并对相干多普勒激光雷达的广阔应用前景进行了展望。指出国内相干多普勒测风激光雷达研究已取得的一些重要进展。     

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.     

基于大气分层的激光测风雷达回波模型

从相干激光测风雷达原理入手,论述了激光雷达回波特性和多普勒效应在测风雷达中的应用。基于大气分层模型,考虑到激光束的传播及其与大气之间的相互作用,建立了激光测风雷达回波模型,模拟回波信号在大气中的传输过程,为激光测风雷达回波信号的模拟提供了理论基础。     

1.55 μm相干激光测风雷达平衡式探测接收实验

研究了用于相干激光测风雷达信号接收的平衡式探测接收技术.推导出了平衡式相干探测过程的数学模型和信噪比表达式,并通过仿真软件对该模型进行了模拟仿真.在同等输入条件下,当平衡式相干探测系统的最佳分束比范围在[0.293,0.707]时,其信噪比比普通相干探测的信噪比高.此外,平衡式探测接收还具有判断风向的功能,最后通过实验验证了仿真结果.     

1.55μm相干激光测风雷达平衡式探测接收实验

研究了用于相干激光测风雷达信号接收的平衡式探测接收技术.推导出了平衡式相干探测过程的数学模型和信噪比表达式,并通过仿真软件对该模型进行了模拟仿真.在同等输入条件下,当平衡式相干探测系统的最佳分束比范围在[0.293,0.707]时,其信噪比比普通相干探测的信噪比高.此外,平衡式探测接收还具有判断风向的功能,最后通过实验验证了仿真结果.     

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。     

机载扫描激光雷达的研制

研制了一台机载三维激光雷达系统,它采用Nd:YAG高重频激光器作为光源,检流计和摆镜构成扫描机构,C30659-1060-R8B雪崩激光二极管作为望远镜回波探测,si的PIN管作为发射光触发脉冲的探测,时间间隔测最卡用来探测距离.探测的距离精度35 cm,振镜摆动频率:50 Hz(光学角±10°),20 Hz(光学角±25°);振镜摆动角度:机械摆角±12.5°(实现光学摆角±25°);回波强度8 bit;高重复频率累加可以得到三维的距离和强度信息.     

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.     

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.     

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     

基于光克尔门空间扫描单次激光信噪比测量

提出一种基于光克尔门空间扫描的单次激光信噪比测量方法.在该方法中,门光和探测光在光克尔介质中正交传输,通过光克尔门对探测光的空间扫描实现激光信噪比测量.采用该测量方法进行了单次激光信噪比测量的实验研究,测得时间窗口和分辨率分别为88.2ps、2.7ps.由于取样门是由光克尔效应来控制,因此该激光信噪比测量方法对于待测激光的波长没有限制.     

高层大气被动探测技术

简要介绍了高层大气被动探测技术的研究历史、现状和发展趋势.论述了高层大气被动探测技术的基本原理和方法,给出了高层大气被动探测的辐射源和气辉谱线、四强度探测法和临边探测模式.重点介绍了自行设计研制的风成像干涉仪的宽场、消色差、温度补偿理论以及工程设计和研制.采用风成像干涉仪进行了模拟高层大气探测实验,给出了高层大气风场、...     

基于光克尔门空间扫描单次激光信噪比测量（英文）

提出一种基于光克尔门空间扫描的单次激光信噪比测量方法.在该方法中,门光和探测光在光克尔介质中正交传输,通过光克尔门对探测光的空间扫描实现激光信噪比测量.采用该测量方法进行了单次激光信噪比测量的实验研究,测得时间窗口和分辨率分别为88.2ps、2.7ps.由于取样门是由光克尔效应来控制,因此该激光信噪比测量方法对于待测激光的波长没有限制.     

机载激光雷达风切变探测性能分析

介绍了用于风切变测量的激光雷达外差探测系统，阐述了其工作原理，根据CO2雷达系统与Ho：YAG雷达系统相关参数进行信噪比模拟和风速误差对比，模拟结果表明波长为2．1μm的Ho：YAG雷达和波长为10．6μm CO2雷达都适合机载低空风切变探测。通过对比表明Ho：YAG雷达的性能更为优良，误差更小，探测距离更远。     

多普勒测风激光雷达中马赫-曾德尔干涉仪的视场展宽技术研究

火星大气风速廓线探测对研究火星大气环境具有重要意义,基于马赫-曾德尔干涉仪的多普勒测风激光雷达相对于一般的相干/非相干多普勒测风激光雷达更适合于火星地基探测。为使马赫-曾德尔干涉仪对激光雷达中望远镜接收到的大视场角回波光信号进行频移检测,需要对马赫-曾德尔干涉仪进行视场展宽。对马赫-曾德尔干涉仪中棱镜式视场展宽技术与"猫眼"光学系统的视场展宽技术进行研究后发现,棱镜式视场展宽技术更具优势。设计并搭建了一套光程差为219 mm的马赫-曾德尔干涉仪,使用压电晶体扫描反射镜片的方式测量其对以11 mrad视场角入射的准平行光束的透射谱,得到干涉仪最大的干涉对比度为0.87,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。结合地球大气环境分析了干涉仪干涉对比度随高度的变化,结果表明:虽然大光程差马赫-曾德尔干涉仪的干涉对比度在5 km以下低空大气中随高度增加有小幅下降,但仍可使用这种干涉仪进行大气风速探测。     

应用于地形匹配导航的激光高度计设计

为解决基于雷达高度表探测的地形匹配导航系统探测精度不高、易受电子干扰影响而失效、且在跨海飞行时无法导航的难题,设计了一种激光高度计来代替雷达高度表进行地形探测。采用二极管泵浦固体激光器技术设计激光发射装置,输出近红外/蓝绿双波长激光,既可以测量陆地地形高度,又可以穿透海水探测海底地形;并根据激光高度计拟达到的性能指标选择合适的光电探测器,优化设计了光学系统、扫描系统和信号处理系统。所设计的激光高度计具有体积小、重量轻、高重频、探测灵敏度高、抗电磁干扰能力强等特点。     

基于风扰动预测的阵风减缓最优控制研究

目前大多数阵风减缓控制方法都是等到飞机到达风场之后才起作用,由此带来了时滞与舵面速率饱和等问题。为了解决这一问题,提出了一种基于风扰动预测的阵风减缓控制系统方案。首先,对风扰动预测技术进行了研究,利用二阶互补滤波器实现了一种基于激光测风雷达获取的阵风信息与其它渠道获取的阵风信息的数据融合算法。其次,以某型民用飞机模型为对象,采用LQR方法设计最优状态调节器使得性能指标最小。接着,引入基于风扰动预测的前馈补偿,使得在未来阵风到达时飞机状态要尽可能保持不变。仿真结果表明,基于风扰动预测的阵风减缓最优控制系统能大幅度地减少阵风干扰对飞机法向过载和俯仰角速度的影响,证明了所设计的控制系统方案的正确性和有效性。