瑞利散射多普勒测风激光雷达系统误差分析

系统全面地分析了各种影响因素对瑞利散射多普勒测风激光雷达系统误差的影响,确定了透过率曲线校准精度对系统测量误差起主要作用,同时必须考虑激光频率锁定误差、气溶胶及大气温度估计误差对系统测量误差的影响.实验结果表明:温度和后向散射比相同时,由校准参数差异引起的系统误差比理论值增加10倍以上;后向散射比相同时,系统误差随温度估计误差和多普勒频率增大而增大;大气温度估计误差5 K,校准误差产生的径向速度测量误差随高度和多普勒频率变化,在18 km左右达到峰值,最大值1.4 m/s     

瑞利测风激光雷达接收机校准

介绍了直接探测瑞利测风激光雷达工作及风速反演的原理,说明了激光雷达接收机的内部结构及工作情况。为修正雷达接收机中分光片分束比、单光子计数器探测率等参数与设计值的偏差所导致的风速测量误差,提出了随光强变化比较两信号通道的计数值的接收机校准方案。实验测得了校准系数随信号通道信号强度的变化关系。在弱光下该系统两信号通道性能差异小于25%。在当前系统的标准具透过率条件和对称的风场扫描合成方式下,接收机校准只对系统透过率曲线和径向风速的测量有较大影响,对合成风场没有影响。     

60 km瑞利多普勒激光雷达及其风场探测

临近空间风场的探测,在大气动力学研究和提高数值天气预报的准确性,以及航空航天保障等方面具有重要意义。研制基于瑞利散射双边缘技术的60 km多普勒激光雷达用于临近空间大气风场的测量。激光雷达主要分为垂直指向测量系统和两台斜指向测量系统。工作波长355 nm,探测距离15~60 km。为验证系统的可靠性和积累风场观测数据,于2014年下半年进行了外场实验,并与当地的探空气球数据进行对比,结果显示60 km瑞利多普勒激光雷达风场测量数据与探孔气球数据具有良好的一致性。     

瑞利多普勒激光雷达超窄带滤光器的设计

目前中国科学技术大学车载激光雷达已经实现了对于15~60 km中性大气风场的夜间连续观测,鉴于白天观测的信噪比受到背景光的限制,因此,设计了一种利用现有干涉滤光片结合固态FP标准具的超窄带滤光器,用于实现背景噪声的降低。提出了一种结合鉴频器参数确定FP最佳参数的方法,得出了FP标准具的参数,实现了带宽为8.4 pm、中心波长为354.73 nm、自由光谱间距为150 pm、峰值透过率高于0.67的滤光器,将背景噪声降低到原来的十八分之一。该滤光器有效提高了系统信噪比,减小了风速误差,同时计算了温度、角度变化对滤光器带宽、中心波长和透过率的影响,设计了一种角度调谐的方法。实验结果与理论值具有较高的一致性。     

瑞利散射多普勒测风激光雷达频率动态跟踪系统

基于瑞利散射的多普勒测风激光雷达在利用频率差分技术测量风场的过程中,激光脉冲频率随室温和谐振腔温度变化而产生抖动和漂移,给系统测量精度带来极大影响.为了解决激光频率长期漂移给风场测量带来的影响,设计了一种频率实时动态跟踪硬件电路.介绍了该硬件电路的设计思想、关键技术和核心器件的选取,并利用该硬件电路与米散射测风激光锁频...     

基于瑞利多普勒激光雷达数据的重力波测量与分析

对于平流层的高空间分辨率的重力波连续测量和研究非常稀少。近几年中国科学技术大学的瑞利多普勒激光雷达观测了大量的重力波事件,这得益于激光雷达系统在重力波研究中的优越特性。文中对激光雷达系统作出了一个简单的介绍,并且展示了位于中国酒泉（39.741N,98.495E）,垂直高度范围在15~60 km,自2015年10月7日起持续了两个月的重力波夜间观测结果。在对一些重力波事件分析过程中,对中尺度的水平风速进行了二维波谱分析之后,发现重力波波动非常明显,这些波动的波长范围主要集中在3~6 km,而周期大约为10 h。这些观测结果都肯定了瑞利多普勒激光雷达在重力波观测应用方面的优势。     

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。     

瑞利多普勒激光雷达频率响应函数的研究

概述了瑞利多普勒测风激光雷达的基本工作原理,讨论和分析了基于F-P标准具双边缘鉴频技术的测量精度,在窄带实验光源和宽带发射光源入射下,分别测量了鉴频器的透过率曲线,并比较了两种光源入射下由于频率响应函数引起的系统误差。结果表明:瑞利测风激光雷达的频率响应函数满足设计要求,在-100~100 m/s的径向风速动态范围内,系统误差随径向风速的增大而增大,宽带光源测量时,由频率响应函数引起的系统误差在0.74~1.38 m/s之间;窄带光源测量时,由频率响应函数引起的系统误差在0.75~0.84m/s之间。窄带光源较宽带光源测量时,系统误差降低了0~0.48m/s。     

瑞利多普勒激光雷达F-P标准具的设计与校准分析

为了精确观测平流层风场,采用F-P标准具作为瑞利散射测风激光雷达多普勒频率检测的核心器件,对F-P标准具多普勒频率检测原理进行了理论分析,从分析最大设计高度时的测量误差着手,优化选取标准具透过率曲线参量;介绍了透过率曲线参量的校准过程和校准方法,分析了导致透过率曲线的半峰全宽增大的原因、透过率曲线校准精度对速度灵敏度及系统探测误差的影响;并通过实验对设计和校准结果进行了验证。结果表明,由于透过率曲线的半峰全宽增大,导致速度灵敏度下降了0.118%/（m·s-1）;40km高度处,在测量信噪比大于10的条件下,径向速度测量精度增大2m/s。     

多普勒雷达系统中声光调制器的频移误差

声光调制器的频移误差影响多普勒雷达系统的速度精确测量值.为了分析多普勒雷达系统中声光调制器的频移误差,利用自外差的方法研究了声光调制器中声场和光频相互作用而产生的固定频移,通过统计的方法研究了在不同(但恒定)声场驱动频率下声光作用产生的频移误差.实验结果表明:该声光调制器在多普勒雷达系统中所产生的频移误差小于0.61 MHz,即对于1064nm波长,多普勒速度测量误差小于0.3m/s.对多普勒精确测量系统误差分析研究有一定的参考价值.     

南极中山站瑞利散射激光雷达的初步探测结果

一套瑞利散射激光雷达已部署在南极中山站（69.4° S, 76.4° E）用于探测大气密度和温度。该激光雷达的光源为二倍频Nd:YAG脉冲激光器,重复频率30 Hz,单脉冲能量约400 mJ,同时使用一台0.8 m口径的垂直指向望远镜作为接收望远镜,可以探测平流层上层及中间层下层（USLM）区域的大气密度及温度廓线。在垂直分辨率为300 m,时间分辨率为30 min的情况下,由光子噪声引起的大气密度和温度测量不确定性分别小于1.5%和1 K。该激光雷达自2020年3月开始在中山站开展常规观测,有助于研究极区USLM区域的大气密度、温度的变化特征以及大气波动的传播特性。     

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...     

积分球在瑞利测风激光雷达中的应用

入射到标准具上的光斑强度分布影响标准具透过率曲线的形状,进而影响风速反演.将激光入射进积分球后在腔壁上发生漫反射,出射激光光斑变均匀,从而使标准具的透过率曲线更准确.同时出射激光脉冲的宽度在时域上变宽,提高了探测的信噪比,扫描得到的标准具的透过率曲线也更稳定.同样的道理,锁定通道的锁定过程也由于这两点改变而更精确.积分球的这两点特性用于355 nm瑞利测风激光雷达系统中将大大提高探测的稳定性和信噪比.将激光通过积分球后扫描透过率曲线,在风速大小为100 m/s的范围内计算得到的风速误差最大值为0.061 m/s,平均值为0.054 m/s.     

60km车载瑞利测风激光雷达研制

目前我国尚缺乏25~60 km大气风场实时探测手段,为此研制了60 km车载瑞利测风激光雷达。介绍了系统总体结构,对分系统的研制做了详细描述。为提高风场反演的精度,设计了标准具通过率函数校准系统。提出了标准具通过率函数校准方法,并开展实验对标准具通过率函数进行了校准。校准结果表明,接收机性能稳定,各参数测量标准差均小于0.06。该系统在德令哈地区对15~60 km大气风场进行了观测,获得了水平风场的测量结果,并与当地探空气球的探测结果进行了比对,30 km以下一致性较好。对风速、风向测量误差进行了计算,40 km以下,风速测量误差4 m/s,风向测量误差6,40 km以上,风速测量误差8 m/s,风向测量误差18。该系统设计合理,性能稳定,能够实时探测10~60 km大气风场。     

多普勒测风激光雷达校准仪中电控系统的开发

以伺服系统作为核心控制单元开发了一台多普勒测风激光雷达校准仪,得到一个稳定性强、准确性高的速度标准源,从而实现对测风激光雷达系统的自校准、定标。校准仪采用131072脉冲的高分辨率编码器,配以直径为200 mm的转盘,其边沿最大速度偏差小于0.4 mm/s。电制系统具有启动、停止、试运行及速度显示等功能,利用RS485通信手段可实现上位机对系统进行监控及相关数据分析的功能。     

瑞利激光雷达超窄带滤光器参数设计及性能分析

白天太阳光背景辐射严重降低雷达系统的信噪比,从而影响探测高度和精度。为实现对中高层大气相关参数的全天时测量,利用Nd:YAG激光器产生的355 nm激光束作为光源,研制了用于全天时的超窄带滤光器。从原理出发,利用FP标准具透过率曲线单支具有超窄带宽的特性,设计了一款用于进行白天观测的级联式超窄带滤光器;给出了该超窄带滤光器近似透过率函数形式,定义了滤光器性能评价函数,给出了设计方法;通过定义的滤光器性能评价函数,对超窄带滤光器主要参数进行了优化设计,给出了各光学部件具体参数,给出了超窄带滤光器的信噪比提升效果;最后,通过具体实验对各标准具及级联状态下的系统透过率进行了标定,经曲线拟合表现出较好的一致性。     

利用小波降噪的瑞利激光雷达平流层温度反演

介绍了瑞利-拉曼-米散射激光雷达的基本结构与瑞利散射温度反演原理,通过分析对比获得了适合瑞利散射信号的小波分解层数及阈值选取规则,并分别使用小波硬阈值法与软阈值法对信号进行处理,相比而言软阈值法具有更好的降噪效果。利用上述算法反演出南京上空平流层28~46km的温度廓线,将结果与MSISE-90大气模式及AIRS卫星数据进行比对,均表现较好的一致性,验证了小波降噪在瑞利激光雷达温度反演算法中的可靠性。在算法研究的基础上,反演了2009年12月19日19时20分至20时20分连续观测的数据,表明在短时间内平流层温度总体趋势稳定;并对2009年10月至12月的观测数据进行分析处理,得到南京上空平流层月平均温度廓线,表明南京上空的平流层温度在冬季变化不明显。     

相干激光测距中的多普勒频率动态补偿研究

介绍了相干体制的激光雷达相较传统直接探测激光雷达的优点,阐述了在相干激光测距中进行光频率多普勒动态补偿的必要性,给出了进行频率补偿的系统模型和工作流程。文中基于1550 nm激光搭建了试验系统,通过搭建的实验平台对方案进行了验证。验证了在相干激光雷达中使用光频率补偿技术的可行性。     

非相干多普勒测风激光雷达鉴频算法

风场对大气的运动状态和运动趋势具有很强的代表性,所以风场的测量精度对数值天气预报和气候研究都至关重要。激光雷达具有很高的时空分辨率,在近几十年发展迅速,在对地观测中的作用越来越大,尤其在大气风场的探测中得到了很大的应用。本文从探测原理、分类和技术等方面分别对多普勒测风激光雷达进行了介绍,并着重总结了非相干多普勒测风激光雷达的多普勒频移算法,可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。     

基于Fabry-Perot标准具的多普勒测风激光雷达

研制了1 064 nm直接探测多普勒测风激光雷达,采用Fabry?蛳Perot标准具的双边缘技术,探测了对流层三维风场分布。介绍了多普勒测风激光雷达的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径向风速的初步探测结果。结果表明,该激光雷达系统性能稳定,夜晚的探测高度可以达到9 km。