基于Mach-Zehnder干涉仪条纹成像技术的多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

多普勒激光雷达在大气风场探测中已经得到广泛应用。相比于Fabry-Perot（F-P）干涉仪、Fizeau干涉仪,Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪作为鉴频器具有透过率高、探测谱的范围宽、能进行视场展宽而获得大光通量、所成直条纹可以与CCD匹配等优点,同时也可以实现大的风速探测范围,弥补现有直接探测多普勒测风激光雷达探测范围较小,探测灵敏度的非线性的问题。分析了基于M-Z干涉仪条纹成像技术的激光雷达大气风场探测原理,对干涉仪鉴频系统进行了参数优化设计及仿真分析,通过设定实验参数,获得仿真结果,进行数据反演,得到风速值与理论结果基本一致。     

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。     

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。     

瑞利测风激光雷达系统性能改进与中高层大气风场观测

开展了瑞利测风激光雷达系统性能改进和效率提升研究,改进接收系统光信号的耦合效率、传输效率和采集效率,使改进后的接收机光学效率比原接收机提高1.874倍,解决了系统在紫外波段光学效率低的问题。优化了校准参数,并将标准具表面反射率提高至80%,使激光频率锁定精度满足系统探测精度的需要。增加60m准静态零风速实时校准管道,消除多普勒零点偏移产生的测量误差,提高了系统探测精度。利用改进的瑞利测风激光雷达进行大气风场探测实验,与探空气球相比风速和风向最大相差6.73m/s和24.6°,平均相差1.28m/s和2.65°,获取了多区域高时空分辨率的风场数据,为研究中高层大气变化规律、认识空间环境的区域变化特征提供了必要的数据支持。     

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。     

基于线型预测频谱估计的相干激光雷达功率谱分析方法EI北大核心CSCD

基于多普勒效应的相干激光雷达广泛应用于测风等大气探测领域,实际应用于风场观测时,由于噪声杂波干扰、回波信号较弱和风场不均匀性等影响了多普勒频移估计的精度。为准确估计激光雷达弱回波信号中的多普勒频移,提升相干测风激光雷达的探测距离和探测精度,文中开展了基于激光雷达功率谱信号的多普勒频移估计算法以及探测性能提升的评估研究。在快速傅里叶变换的基础上,提出了一种结合线性预测频谱估计与导数增强方法的功率谱分析方法,通过与常用的最大似然离散谱峰值频移估计算法(ML DSP算法)进行比较,验证了文中方法在相干测风激光雷达微弱信号频移估计过程中的优势。风速数据的时间及空间相关性分析结果表明,功率谱分析方法具有更好的风速估计稳定性,有效风场探测距离相较ML DSP算法提升了73%。与超声风速计对比结果表明,文中提出的综合算法在弱信号情况下的风速测量精度高,风速结果与超声风速计的标准偏差相较ML DSP算法降低了0.23 m/s,偏离率BIAS降低了0.3 m/s,有效提高了低信噪比范围内多普勒频移估计的精度。     

测风激光雷达鉴频器的性能研究

F-P标准具作为测风激光雷达Rayleigh通道的鉴频器,其性能决定了测风精度和测风激光雷达的性能,F-P标准具通过将频率变化转化为能量变化来进行鉴频,不同频率的回波信号具有不同的透过率,但标准具的透过率受到诸多因素的影响,文章从Airy曲线出发,研究了不同因素对标准具透过率的影响,峰值透过率随不同因素的变化规律和变化速率,为测风激光雷达的仿真、设计和研究仪器测量误差提供参数依据。     

2 μm星载相干测风激光雷达风速及风向误差建模与分析

基于全微分和统计理论推导了星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差的解析表达式,利用克拉默-拉奥误差下界代替Frehlich经验公式对风场的随机风速误差进行评估,建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型.在NASA/NOAA提出的星载测风激光雷达系统设计指标框架下,对风速及风向误差模型进行可行性分析,得到了总的径向随机误差随着探测距离的变化关系及水平风速区间的选取对随机误差的影响.同时,为了计算合成采样误差,改变不同的垂直分辨率和方向角取值,对水平分量的采样误差进行对比分析.仿真结果表明,合成的水平风速和风向的误差范围为0.8~3.2 m/s和2.38°~3.49°,基本符合星载测风激光雷达的相关指标要求.     

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。     

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.     

光源线宽对相干激光测风雷达探测性能的影响分析

使用窄线宽激光源是相干激光测风雷达的特点之一,为研究不同线宽光源对激光测风雷达探测性能的影响,从理论分析了在相干长度内、外时光电流的频谱特性,并使用了三种不同线宽的激光光源进行实际的测风试验。试验表明,当探测距离在相干长度外时,100 kHz光源信号幅度较1 kHz与10 kHz两种光源下降约30%,且部分频段噪声幅度较大。因此,在设计中近程激光测风雷达,可考虑选用百kHz量级线宽光源,而探测距离数千米甚至更远的中远程激光测风雷达,可考虑选取几十千赫级线宽光源。     

入射光斑对双F-P标准具测风激光雷达的影响

在直接测风激光雷达的接收光路中安装CCD监视器，发现了入射到标准具上光斑的形状及其强度分布对标准具透过率曲线产生的影响。理论分析表明：入射光斑影响了双Fabry-Perot标准具的频谱间距和透过率曲线的形状，双边缘直接测风激光雷达由此将引入较大的系统误差。另外，由于强度分布的随机性，使系统的校准常数失去实际意义。通过在传导光纤上安装扰模器，并在反演风速时引入强度分布函数，可以减小光斑引起的误差。理论和实验表明，文中方法对直接探测测风激光雷达的精度有直接影响。     

机载多普勒激光雷达指向影响分析及定标

通过分析机载多普勒激光雷达测量模式特征,考虑飞机姿态测量精度的影响,仿真分析了径向速度误差,以及多视线反演水平风场的反演精度,按照文中仿真系统的输入参数,不考虑雷达系统频率检测误差,风速测量误差小于0.3 m/s。该结果为机载多普勒激光雷达平台设计和测量模式的选择提供了参考。在此基础上,提出了一种基于地面散射信号测量的激光指向定标方法,并通过激光雷达实测数据进行验证,指向定标精度优于0.2°。     

相干激光测风雷达环行器参量对测程的影响

为了提高激光测风雷达性能,采用数学建模的方法,基于环行器工作原理,分析了环行器出射光束质量,讨论了光束发散角对目标距离处激光峰值光强的影响,提出了环行器光束接收效率定义,研究了发射和接收光轴偏轴度对探测距离的影响。并搭建实验平台,取得远场光斑参量,验证了仿真结果。结果表明,随着出射光束发散角增大,相同作用距离处的相对峰值光强减小;雷达探测距离主要受偏轴角度的影响,mrad量级的偏角会使探测距离减小89.7%。因此,应合理增大光学天线准直倍率,并且设计的角度调节结构精度应优于0.1mrad量级。     

基于频谱重构的相干激光测风雷达风切变检测算法

为了提高相干激光测风雷达风切变的检测率,本 文提出了一种在频域检测风切变的新 方法。首先,截取激光雷达 目标探测距离处的回波信号进行傅里叶变换。其次,通过对回波信号的频率分量按其幅值大 小加权进行频谱重构。然后, 对重构后的频谱进行平滑并估计峰值频率,计算局部频率差,与风切变阈值进行比较,进而 在频域判别风切变。采用旋 转电机实验数据对该算法误差进行评估,得到该算法频谱估计误差为0.64 MHz。设计基于小 型飞机的激光雷达风切变检 测实验对算法检测率进行验证,以小型飞机飞行报告作为风切变判定标准,对激光雷达检测 结果进行判别。通过朝阳机 场实验得到该算法风切变检测率为84.62%,表明该算法对提高激光雷 达风切变检测率具有重要价值。     

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。     

线性增益调制激光雷达系统参数对测距精度的影响

测距精度是激光雷达系统的重要参数,测距精度影响因素的研究对于提高激光雷达系统性能具有重要价值。增益调制无扫描激光雷达是一种新体制的激光雷达,其测距精度的影响因素不同于传统飞行时间测量的激光雷达系统。从增益调制激光雷达距离表达式出发,推导了增益调制激光雷达各系统参数对于距离精度的影响,综合考虑了ICCD的调制误差、回波强度较低时的光子噪声、探测器噪声、微通道板的增益饱和等因素,给出了测距精度与回波功率的关系曲线。得出增益调制无扫描激光雷达系统存在一个回波强度区间,在该强度区间内,无扫描激光雷达的测距精度是区间外的2倍以上。