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.     

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。     

相干激光雷达中望远镜的优化及探测性能分析EI北大核心CSCD

利用脉冲能量为110μJ、重复频率为20 k Hz及脉冲宽度为300 ns的光纤激光器设计了一套工作波长为1.55μm的相干测风激光雷达,给出了系统的性能参数。根据后向传播本振的原理计算出当望远镜对发射高斯光束的截断比为最优值0.823时,激光雷达的天线效率达到最大值0.422。在最优截断比条件下分析了望远镜口径对相干激光雷达载噪比的影响,优化了望远镜设计。从理论上计算出激光雷达的探测性能指标:探测距离大于3 km,风速测量范围为±62 m/s,距离分辨率为84 m,风速测量精度优于0.1 m/s,时间分辨率为0.5 s。     

测风激光雷达法布里-珀罗标准具参数及其性能分析

法布里-珀罗(F-P)标准具是直接探测多普勒测风激光雷达常用的鉴频器件,标准具的性能及其入射光路的设计对整个探测系统的测量误差起着决定性的作用.基于三通道标准具的检测原理,对标准具的主要设计参数如自由谱间距、带宽和边缘通道之间峰值间距等进行了分析,给出了设计方法;入射光的状态对标准具透射率曲线的影响较为明显,根据标准具...     

双Fabry-Perot标准具在直接测风激光雷达系统中的应用与分析

简叙了双Fabry-Perot标准具在自行研制的测风激光雷达中检测多普勒频移的原理,给出了测风激光雷达系统的参数,对入射光束的入射角和发散角对标准具频谱曲线的影响进行了分析和稳定性实验,结果显示在短期内不稳定性带来的风速测量误差仅为0.016 m/s。测定了双标准具的频谱曲线,通过对标准具频谱曲线的分析显示:测量误差在测量的动态范围内随着速度的增大而增大,随着测量脉冲次数的增加而减少,同时速度的测量误差随着高度的增加而加大,在5 km时最大测量速度误差为0.6 m/s。     

Mie-Rayleigh Doppler Wind Lidar with Two Double-edge Interferometers

The Mie-Rayleigh direct detection Doppler lidar (DDDL) with two double-edge etalons is presented. Fabry-Perot (F-P) etalon is used as the spectral analyzer for Doppler measurement formthe aerosol and molecule backscattered signals. The aerosol and molecular backscattering signals are separated by a polarization isolator with less signal decrement, so this system has about same accuracy as individual Rayleigh Doppler lidar or Mie Doppler lidar system. The simulation on a proposed ground-based DDDL at 532 nm shows that the velocity error is less than 2 m/s below 8 km for a 100 m vertical resolution by Mie channel and 2m/s up to 20 km by Rayleigh channel, respectively.     

半导体激光雷达斜程能见度观测和反演方法

论述了自行研制的半导体激光雷达能见度仪的工作原理、基本结构及参数,提出了一种稳定的消光系数迭代算法。利用该半导体激光雷达能见度仪与美国Belfort model 6230A 型能见度仪对水平及斜程能见度进行了对比实验。对比实验表明：对于水平能见度,平均相对误差在10%以内的占总量的45.6%,平均相对误差在20%以内的占总量的84.7%,平均相对误差在30%以内的占总量的91.2%;对于斜程能见度,不同天气条件下,能见度变化趋势明显,反映了斜程能见度与水平能见度探测的差别与意义。充分说明该能见度仪能够在各种气候条件下测量水平及斜程能见度,所提出的反演能见度的迭代算法稳定可靠。     

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。     

10.6μm收发合置天线的一种光隔离器

本文讨论了光隔离在收发合置相干激光雷达中的作用.分析了波片和内反射方式的1/4λ位相推迟器的特点,并研制了用于光隔离的多晶锗1/4λ菲涅耳菱体.该菱体较好地用于CO_2激光外差接收系统中,其能量转换效率达到93%以上.     

相干激光雷达中最大似然离散谱峰值估计及Monte Carlo仿真

相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速。基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然(ML)离散谱峰值(DSP)风速估计算法的克拉美-罗下界(CRLB)与由Fisher信息矩阵论得到的精确CRLB之间的关系。其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数。分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响。计算仿真结果表明:ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为-20dB,100发激光脉冲累积和信噪比为-30dB,10 000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中"坏"的估计值所占的比例都为0,"好"的估计值的标准差分别为0.62m/s和0.50m/s。