平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。     

多普勒激光雷达中种子激光注入的一种鉴别方法

多普勒测风激光雷达以其高分辨率、高精度、大探测范围、能提供三维风场信息的能力,吸引了多国学者的关注,并投入了大量的人力、物力进行研究。所研究的多普勒测风激光雷达采用种子注入的方式获得单纵模、窄线宽、高功率的激光输出。激光器中心频率的缓慢漂移、环境噪音、激光棒温度变化或者振动干扰都有可能导致激光器种子光的注入不成功,出射激光光谱由注入成功时的单纵模输出变为多纵模输出。激光单纵模输出时线宽约为200 MHz,而多纵模时激光线宽很宽。而种子注入不成功时所出射的多纵模激光脉冲将导致瑞利后向散射谱变宽,会增加风速测量误差。该脉冲筛选电路在数据采集环节实现对多纵模激光脉冲的筛选,有效降低了风速测量误差,提高测风准确度。     

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。     

大气模式对气溶胶光学参量反演及分类的影响研究

气溶胶对全球生态系统、物质循环具有重要影响,研究气溶胶光学参量等基础数据反演的准确性意义重大。利用来自欧洲气溶胶研究激光雷达网的4个观测站点(波坦察、莱比锡、里尔、埃武拉)在两次集中观测任务中的数据,对使用不同大气模式的温度、压强数据在反演气溶胶光学参量(消光和后向散射系数)及气溶胶分类中所产生的影响进行研究。结果表明：选用不同的大气模式对气溶胶光学参量进行反演会导致计算结果出现偏差,其中对于Raman法获取气溶胶消光系数的影响较大,在355 nm和532 nm处的最大偏差均可达到～20%。大气气溶胶浓度也会对不同模式的气溶胶光学参量反演结果产生影响,并且随观测波长的不同而有所差异。此外,不同大气模式会使气溶胶激光雷达比以及?ngstr?m指数等与气溶胶类型相关的参量反演结果产生偏差,并最终影响气溶胶的分类。文中研究结果对于揭示大气模式的选取在反演气溶胶光学参量中的重要性以及对于气溶胶分类乃至大气科学的相关研究都具有重要的参考价值。     

差分像移湍流廓线激光雷达测量误差分析

差分像移激光雷达可以测量随距离分布的大气湍流廓线。在结合测量原理和定性分析的基础上,经过严格的数学推导得到了差分像移激光雷达测量湍流的误差公式,提供了定量分析和改进系统性能的基础:在系统参数确定后,通过合理分配探测点间距以及每个探测点的探测时间可以达到最好的测量效果。根据模拟分析的结果,测量误差主要来源于光斑质心计算误差和有限样本引起的统计误差。近距离测量时,由于接收到的光子信号很强,光斑质心计算误差的影响很小,此时样本统计误差起主导作用;随着距离的增加,光斑质心计算误差的影响越来越大。     

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。     

高光学效率相干多普勒激光雷达的测风性能分析与测试

近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备,可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 m波段,望远镜直径50 mm,时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比,验证了系统测量距离达到5 km。之后,通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980,标准差为0.235 m/s,风向数据相关系数达0.993,标准差为3.105。表明该相干激光雷达具有优良的性能,可以应用于大气边界层内的风场探测。     

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。     

收发分置氦激光雷达系统参数设计与性能分析

针对收发分置氦激光雷达系统,基于连续激光束成像技术,获得了不同收发分置距离下对应的距离分辨率大小,以及单列CCD像素元与高度的对应关系和距离分辨率随高度的变化曲线.对比分析了在不同亚稳态氦原子密度的条件下,系统单列像素元接收到的光子数与探测高度的对应关系,并获得了信噪比和相对误差随探测高度的变化情况.仿真结果表明,增加积分时间可以提高信噪比,在400～1 000 km的高度范围内,积分时间为2 h,距离分辨率为50 km时,信噪比在10～65范围内,相对误差小于10%.研究结果表明采用收发分置氦共振荧光激光雷达系统可实现对热层200～1 000 km亚稳态氦密度的探测,为进一步完善优化收发分置氦共振荧光激光雷达系统的方案提供参考.