基于Fizeau条纹技术的测风激光雷达风速反演方法

建立了基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达后向散射信号的理论模型，并利用最小二乘拟合方法结合数值迭代方法反演风速。该方法无需确切知道实际系统参数的大小和测量时的大气状况。风速反演的精度受迭代次数的影响，而迭代初值的选取只会影响迭代的收敛速度。用Monte-Carlo方法模拟了低对流层的回波信号并进行了风速反演，验证了该风速反演方法的可行性。模拟的系统参数在0～5 km高度，由信号的散粒噪声引起的系统误差小于1 m/s。     

利用Fizeau干涉仪进行激光风速测量的原理分析

导出了激光多普勒雷达基于Fizeau干涉仪及CCD探测器进行测风时,每个CCD元最终接收到信号的一般表达式.对系统的参数做了整体优化,得出一组优化参数.在0～3 km高度,得出系统风速误差小于0.16 m/s.对最终的风速反演分别运用最小二乘拟合法和重心法.分析表明最小二乘拟合法只适用于风速较小的情况.详细分析了运用重心法计算风速必然会引起的误差,并提出一种解决方法.修正后,在±30 m/s风速范围内,该方法产生的误差小于0.25 m/s.     

法布里-珀罗环转线系统的测风激光雷达技术与数值仿真

设计了基于法布里-珀罗(F-P)条纹技术的非相干多普勒测风激光雷达系统,采用环转线干涉仪光学系统(CLIO)将F-P形成的环状条纹转换成线性条纹成像到具有高量子效率的CCD探测器上进行检测,克服了环状条纹与传统阵列式探测器不匹配的缺点并改善了探测系统的信噪比。采用光学设计软件ZEMAX对该系统进行了光学设计和数值仿真,得到了用于反演风速的不同波长干涉条纹图样,并对重心法和Voigt函数拟合法两种主要的风速反演方法进行了对比讨论。结果表明:用Voigt函数拟合法反演风速误差较小,获得风速在20 m/s时的误差小于0.5 m/s,验证了该系统的设计及数据反演算法的可行性,为测风激光雷达的进一步研制提供了理论依据。     

Levenberg-Marquardt算法在测风激光雷达中的应用

分析了直接探测测风激光雷达中的Fabry-Perot标准具透过率的非线性理论模型。根据实验测量数据，利用Levenberg-Marquardt算法对理论模型进行参数优化估值，获得测量数据的最佳拟合曲线。数值计算表明，pseudo-Voigt函数能快速且很好地近似计算Voigt线形。对于Fabry-Perot标准具的宽带光透过率频谱响应曲线，可以采用Voigt函数拟合,也可以采用pseudo-Voigt函数拟合；当透过率频谱响应曲线用于风速反演时，若采用pseudo-Voigt函数拟合会造成低于1 m/s的测速偏差，因此必须采用Voigt函数拟合。     

基于Fizeau干涉仪的激光风速测量技术

设计和讨论了一种利用Fizeau干涉仪进行激光风速测量的原理。该系统采用Fizeau干涉仪进行信号频谱分析 ,形成的梳状干涉图案强度分布可以通过线列CCD探测器测定 ,其重心位置决定信号的多普勒频移量或径向风速。利用Monte Carlo方法模拟计算了该系统的测量精度 ,结果表明 ,在 90 %的光子数探测几率下 ,多普勒测量精度约是单个CCD探测通道谱宽的 10 % ;激光雷达系统风速测量的精度在垂直高度 2km内优于 2m/s。     

基于Fizeau干涉仪的大气多普勒频移检测技术

研究了基于激光条纹成像的风速测量技术,根据Fizeau干涉仪透射率函数和大气中的分子散射光谱特征对其优化设计,得到了一套基于任意光束入射的Fizeau干涉仪的系统参数。优化设计结果为Fizeau干涉仪腔长12 mm,平板反射率0.65。最后模拟了该Fizeau干涉仪对分子和气溶胶的联合测量能力。模拟仿真结果表明,在20 m J、100 Hz重复频率和接收口径200 mm条件下,风速测量误差为1 m/s,探测高度为17.8 km。     

基于菲索干涉仪多普勒激光雷达的风速及后向散射系数反演

提出在基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达的系统中,对回波信号利用非线性最小二乘法可同时反演得到风速和后向散射系数比.该方法无需确切知道实际的系统参数大小如望远镜视场角、几何重叠因子等.用Monte-Carlo方法模拟了回波信号并利用该方法进行了风速和后向散射系数比的反演,结果表明:在3km高度处,由信号的散粒噪声引起的相对测量误差小于0.2%.同时,又给出了在不同信噪比情况下,反演精度随之变化的关系图.当峰值信号光子数高于500时,风速和后向散射比误差很小.     

基于菲索干涉仪的边界层测风激光雷达研究

分析了多光束菲索( Fizeau)干涉仪的光学特性,以及影响干涉光谱性能的参数,并研 究了激光雷达系统接收信号能力,提出了一套基于Fizeau干涉仪和CCD探测器的边界层测风激光雷达系统。利用标准大气参数和切合实际的激光雷达系统参数,对干涉仪进行优化设计模拟计算,得到了合理的参数,满足边界层1m / s风速测量精度要求。     

北斗反射信号海风海浪反演系统与试验

该文设计并实现了一种小型低功耗的北斗反射信号海风海浪反演系统,针对反演精度受卫星高度角影响较大的问题,提出高度角正弦值幂指数修正方法,且为降低风速突变对风速反演的影响,对风速反演模型进行了延时修正,有效提高了有效波高和风速的反演精度。为了进一步提高反演精度,提出多星联合观测和单边滤波的方法。北斗反射信号海风海浪探测试验结果表明:设计和实现的反演系统具备长期稳定运行和观测的性能;提出的反演模型和精度提升方法可以有效提高反演精度,有效波高和风速反演精度分别可达0.14 m和1.28 m/s,相比于Soulat等人提出的反演模型,分别提高了0.13 m和0.78 m/s。     

车载直接探测多普勒测风激光雷达光学鉴频器

基于建立的车载直接探测激光雷达系统,对接收光学鉴频器进行了研究。针对边界层、对流层和平流层不同的气溶胶和大气分子浓度以及风速动态范围,同时采用直接探测的两种主要技术。利用多光束菲索(Fizeau)干涉仪(MFI)和阵列光电倍增管(PMT),接收气溶胶散射信号,获得边界层风速。采用双法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(DFP)和光电倍增管探测器,分析分子散射信号,得到对流层风场。使用实际的激光雷达系统参数和大气模型参数,对两个鉴频器进行了优化设计,分析了它们的风速测量灵敏度和精度。多光束菲索干涉仪鉴频器系统在±50 m/s风速范围内测量灵敏度为1.3%/(m.s-1),高度分辨率为200 m,边界层内风速测量误差小于1 m/s。双法布里-珀罗干涉仪鉴频器系统在±100 m/s风速范围内的测量灵敏度约为0.3%/(m.s-1),高度分辨率为1000 m,对流层风速测量误差小于3 m/s。     

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。     

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。     

星载测风激光雷达系统鉴频器性能模拟比较

模拟了基于355nm波长双边缘FP（Fabry-Perot）鉴频器和基于532nm波长碘分子鉴频器的星载测风激光雷达系统性能。进行的比较和分析主要包括激光出射光子数、大气后向散射强度、探测器、鉴频器及测风灵敏度等。给出了星载平台系统接收后向散射信号的信噪比和测风误差,以评估两种激光雷达系统的性能。结果表明,在距地面0-5km高度范围,532nm碘分子鉴频器系统测风误差低于355nm 双边缘FP系统,而对于距地面5km以上大气范围,FP系统风速误差比碘分子鉴频器系统低25%。     

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