中高层大气瑞利多普勒测风激光雷达性能分析(英文)

设计了基于Fabry-Perot(FP)标准具的中高层大气(20~60 km)多普勒测风激光雷达(DWL)系统。介绍了激光雷达的多普勒测风基本原理;根据探测指标分别给出了DWL的发射机、接收机、发射接收光学和风场反演等子系统方案,重点对接收机的参数进行了详细的设计与分析;最后对全系统的信号信噪比、探测偏差进行了理论模拟。得出的结论为:当脉冲累计时间为5 min(15 000 shots)时,该系统在晚上60 km高度处的探测偏差为3.6 m/s。     

基于瑞利散射的测风激光雷达研制

介绍了全球大气风场观测的重要性,研制了一台基于三通道标准具的车载瑞利多普勒测风激光雷达,用于平流层的风场探测.较为详细地介绍了测风的基本原理、系统的总体结构以及技术参数.利用紫外光在大气分子中的低吸收和高散射特点选取355 nm作为工作波长.描述了三通道标准具的结构以及利用脉冲光对标准具的透过率曲线进行了扫描,结果表明...     

基于FP标准具的直接探测多普勒测风激光雷达

已研制成功一台1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达,采用Fabry-Perot(FP)标准具的双边缘技术,用于探测对流层三维风场廓线分布.介绍了多普勒测风激光雷达的基本工作原理、总体结构和技术参数,较为详细地叙述了各部分的结构及其功能,并给出了合肥地区对流层风场廓线分布的初步探测结果.结果表明,该激光雷达性能稳定,达到了设计指标.     

多普勒测风激光雷达初始工作点的标定

利用角度调谐的方法标定了多普勒测风激光雷达双边缘探测技术中的初始工作点.理论上在小信号近似条件下推导出失谐频率的计算公式.测风精度为1 m/s时模拟计算得到角度调谐精度要求为1×10-5弧度.实验上使用步进角为27"的五相步进电机与1:200减速器实现了1×10-6弧度的角度调谐精度,测得了标准具透过率曲线.理论和实验表明通过对F-P标准具放置角度的微小调节来校准双边缘探测技术中的初始工作点切实可行.     

瑞利散射测风激光雷达接收机的研究

介绍了分子散射多普勒测风激光雷达的基本原理。优化了三通道法布里-珀罗标准具的自由谱范围、带宽、峰值间隔和有效口径等参数。设计了分子散射多普勒测风激光雷达接收系统的结构,设计时充分考虑了系统的热稳定性和机械结构的稳定性。该接收机结构非常紧凑,可以放置在宽度约48cm(19in)、长度550mm的机柜中。具有这种接收机的多普勒测风激光雷达具有很好的商业应用前景。     

高低空一体化测风激光雷达

高时空分辨率的大气风场探测对提高数值天气预报的准确性、大气动力学过程的研究、气候研究等具有很重要的意义。介绍了基于双Fabry-Perot标准具的直接接收激光多普勒测量原理。提出了40 km的高低空大气风场同时观测的技术方法。给出了利用大气气溶胶和分子散射信号的Mie-Rayleigh多普勒测风激光雷达的系统结构,并分析了工作波长、望远镜口径、扫描天顶角和标准具参数等激光雷达系统参数。研究了扫描角度误差、气溶胶后向散射信号、大气温度对风场探测精度的影响。分析了雷达系统的总体性能,得出在40 km高度处,当距离分辨率为500 m、时间分辨率为30 min时,水平风速探测精度优于6 m/s,可以满足有关应用的要求。     

基于法布里-珀罗标准具的测风激光雷达探测数据分析

利用多普勒测风激光雷达(DWL)进行实地风场探测,对探测数据进行深入分析。介绍了基于三通道法布里-珀罗(FP)标准具的多普勒频率检测等基本原理,给出了DWL结构组成和系统参数;并分别给出了该DWL与风廓线雷达(WPR)低空对比探测数据、与气球探空仪高空对比探测数据,结果表明,低空数据的风速偏差在0.1~1.2 m/s,风向偏差在1°~9°之间,高空数据的风速偏差在0.1~2 m/s之间,风向偏差在1°~12°之间,表现出良好的一致性;对DWL数据精度进行分析,得出光束入射角、发散角、信噪比和探测器是影响精度主要因素的结论,从标准具透射率扫描拟合曲线入手,计算得出该型DWL实际探测偏差值高出理论值2.07%。     

基于Fabry-Perot标准具分子测风激光雷达接收机的研制

为了研究平流层大气风场,介绍了分子散射多普勒测风激光雷达的基本原理。基于测量误差最小和消除气溶胶的影响设计了标准具的参量。设计了分子测风激光雷达接收机,该接收机结构紧凑,可以灵活便捷地放置在机架上。并将本接收机用于分子测风激光雷达系统中进行了标准具透过率的测量和风廓线的初步测量。结果表明,标准具透过率曲线测量的结果和设计的大体一致,速率灵敏度较设计的略微下降,风廓线趋势和美国Goddard系统所测量的大体一致,这说明本系统光学接收机能够完成分子的多普勒风速测量。     

星载多普勒测风激光雷达小型化光学接收机

星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息,已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道,设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机,结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数,对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求,接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中,内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内,整体结构稳定可靠,集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线,对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真,仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响,分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时,会引起1 m/s的风速误差增量。     

车载测风激光雷达风廓线同步观测实验

多普勒测风激光雷达能够实现高时空分辨率的大气风场测量,中国海洋大学成功研制了可以测量风廓线和三维大气风场的车载多普勒测风激光雷达,并已交付中国气象局使用。为了检验该激光雷达的测量性能,2011年春季开展了车载激光雷达与探空气球风廓线同步观测实验,获取了55组比对数据。本文介绍了此次同步观测实验,给出了激光雷达和探空气球风廓线数据的比对个例,并对所有比对数据进行了统计分析。同步比对结果显示,激光雷达与探空气球风廓线数据的风速均方根偏差为2.76 m/s。通过分析比对偏差,证明了激光雷达风廓线测量结果的准确性。     

直接探测测风激光雷达的性能分析

综述了激光雷达大气风场测量的方法，提出了采用直接探测到量三维风场分布的F-P干涉仪方法，简述了测量原理，分析了系统的性能和测量误差，比较了基于分子散射和气溶胶散射的系统测量精度，给出了基于瑞利散射的激光雷达系统方案。     

基于单多普勒激光雷达的机场风场预报方法

基于机场上空的低空小尺度天气系统风场结构以及单多普勒激光雷达测风原理,对已有变分同化方法和涡度-散度风场反演方法进行改进,利用变分同化方法对由单多普勒激光雷达所测的径向风速进行同化,预报它在未来时序时的估计值,再利用改进的涡度-散度方法对预报的径向风速进行反演,实现对三维风场的反演,从而成功实现对风场的预报.最后,通过对机场上空的天气结构仿真,分析了这种方法对径向风速实现的三维风场的预报的优缺点及其误差.     

梯度下降VAD方法的单多普勒激光雷达风场探测技术

速度方位显示（Velocity-Azimuth Display,VAD）方法作为一种基于单部激光雷达和同一高度风场均匀的假设前提来反演风场的通用方法已经在业界得到广泛应用,但其对激光雷达扫描方位角的范围和径向个数的严格要求在一定程度上影响了激光雷达的测量效率。基于此,提出了一种基于梯度下降算法的VAD风场反演方法。使用梯度下降算法代替目前VAD中的傅里叶级数展开求解的方法。在分析了算法收敛性影响因素的基础上,确定了算法迭代步长和迭代次数,从而改善了算法的收敛性,提高了运算速度。与标准风杯风速计（IEC 61400-12-1）的同步对比实验结果显示:该方法在激光雷达扫描范围降低到60和扫描径向个数降低到7个的情况下,10 min平均的风速、风向相关系数达到0.99,风速标准偏差、偏差分别为0.52 m/s和0.02 m/s,风向的标准偏差和偏差分别为5.1和3.6。结果证明了该方法在提高激光雷达测量效率的同时仍能保证其准确性,具有更强的适用性,可有效提升系统对于动态大气风场监测能力。     

相干多普勒测风激光雷达的频率估计算法

采用Welch谱估计结合自相关检测与能量重心法的频率估计算法,来提高淹没在噪声中的相干测风激光雷达多普勒信号频率估计的精度问题.通过将信号进行自相关预处理,然后由Welch谱分析获取功率谱进行频率的粗估计,最后由能量重心法进行频率校正来获取高精度的信号频率.仿真表明,本文算法有较低的平均绝对误差和均方根误差且性能稳定,...     

直接测风激光雷达频率跟踪技术及对流层平流层大气风场观测

为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场,搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理,使用转台式探测结构,通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪,确保测风的精度。实验结果表明,该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好,频率跟踪的范围为±50 MHz,可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测,在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后,随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km,夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比,风速误差均小于10 m/s,其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%,探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致,误差范围在10°～20°之间,在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析,结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。     

多普勒激光雷达风场反演研究进展

多普勒激光雷达因高精度测量、高空分辨率等特点对晴空天气的风场探测具有重要应用价值,但多普勒激光雷达只能获取径向风速,必需进行风场反演.介绍了单部和多部多普勒激光雷达的风场反演技术的国内外进展及优缺点,其风场反演算法主要在微波雷达的基础上进行优化和创新.结果表明,单部多普勒激光雷达中变分方法是最有前途的方法;早期多部雷达...     

基于双F-P标准具的直接探测测风激光雷达

研制了基于双F-P标准具直接探测的地基测风激光雷达.简要回顾了双边缘直接探测技术,介绍了系统结构与控制.为验证系统测量结果的准确性,研制了多普勒校准仪.在+40 m/s动态范围内的校准实验表明:当累计光子数达到2 000时,测风激光雷达系统对靶盘径向转速测量的标准误差为0.6 m/s.风场观测初步对比实验时,测风激光雷达的测量结果与风廓线测量结果一致.给出了24 h连续大气风场观测的结果:风场观测的垂直分辨率为21.2m,每个径向观测的累积时间1 min,当激光雷达扫描视场内有云层时,测风激光雷达的探测高度可达10 km.     

直接测风激光雷达中F-P标准具的频率动态锁定

直接探测多普勒测风激光雷达中,双边缘技术可分别测量回波信号中大气分子散射和气溶胶散射的成分,因而在保持高测速灵敏度的同时,可以减小瑞利背景噪声的影响.这决定了其在大气对流层风场观测的优势地位.直接探测双边缘技术中,使用双通道Fabry-Perot标准具作为鉴频器,将频率变换转换为信号强度变化.该技术的前提是出射激光频率始终处在双通道标准具透过率曲线的交点频率附近.提出的标准具腔长调制反馈电路方法有效解决了该问题.     

直接探测多普勒激光雷达的光束扫描和风场测量

介绍了直接探测多普勒激光雷达的系统结构和主要参数,给出了该系统进行大气风场测量的光束扫描方法,详细推导了三维风场的计算公式,给出了其风速和风向误差的求解方法。在径向风速均为1 m/s和扫描角度误差均为1°的情况下,水平风速和风向的误差分别为1.155 m/s和0.707°。给出了合肥地区对流层风场的测量结果,结果表明,采用该方法测量大气风场是切实可行的。     

多普勒测风激光雷达数据处理方法分析

介绍了基于双Fabry-Perot标准具的测风激光雷达的工作原理,分析了大气分子散射对风速测量的影响,并给出了相应的数据处理方法。模拟并分析了两种不同迭代初值在1～3次迭代时产生的系统测量误差,给出了1 km和5 km处风速的测量误差。利用自行研制的一台多普勒测风激光雷达对合肥地区对流层风场进行测量,并用两种方法处理了实验数据。结果表明,改进的数据处理方法是切实可行的。