基于速度结构函数的多普勒激光雷达低空湍流预警算法

为提高激光雷达对小尺度低空湍流的预警率,提出了一种将下滑道扫描与横向速度结构函数相结合的预警算法。首先,把下滑道扫描方式下得到的扫描扇区分成多个重叠的子扇区,采用空间波动法计算每个子扇区的横向结构函数。其次,将结构函数与Von Karman模型预测的结构函数拟合得到涡流耗散率,并以国际民航组织规定的湍流阈值来判断湍流强度。使用香港天文台安装在香港国际机场实的激光雷达采集数据进行了实验验证,结果表明新方法能够检测出纵向速度结构函数未能检测出的小尺度湍流。该方法是有效的,对于提高湍流的预警率有重要意义。     

扫描式气溶胶激光雷达研制与观测研究

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义,是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征,山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60J、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据,分析了不同天气条件下的大气水平能见度,验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据,利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数,并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明:扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度,通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。     

基于激光雷达探测的飞机尾流融合预测方法

为提高基于激光雷达的飞机尾流探测反演精度,根据扫描出的径向风速数据,建立了基于Kolmogorov结构函数的大气背景湍流耗散率(EDR)估计方法;然后基于两阶段消散预测模型,计入湍流对尾流消散过程的影响,实现基于历史探测数据的尾涡强度环量和涡核运动趋势的预测;通过环境探测数据与预测模型的结合,提高尾涡特性参数的反演精度。研究表明,相较于反演算法,采用本文模型预测的尾涡轨迹在径向距离和角度的精度上分别提高了595、648。     

湍流大气中部分相干光二阶统计特性的三参数模型及其应用

激光在强湍流中的传输以及斜程传输问题是随机介质波传播研究中的热点,也是难点。文中尝试建立一个可以在任意湍流环境下通用的激光传输二阶矩演化模型。首先利用广义惠更斯-菲涅尔原理及球面波结构函数的二次近似推导了高斯-谢尔波束在大气湍流中传输时的互相干函数表达式。建立了波束互相干函数的三参数模型,得到了三参数的递进公式。利用三参数迭代法计算了部分相干波束在强湍流中及斜程传输时的等效波束半径及相干长度。计算结果证明了在强湍流中,相比于直接利用广义惠更斯-菲涅尔原理的计算结果,迭代法得到的等效半径较小,而相干长度较大。在斜程路径上,上行与下行传输激光的统计特性是不同的。     

激光雷达斜程能见度的一种探测方法及其分析

提出利用激光雷达多仰角探测方法对大气斜程积分能见度测量的方案.该方案以大气光学厚度替代传统的利用大气消光系数分布求解斜程能见度,从而克服了在低能见度下,由于大气多次散射,斜程能见度难以测准的缺点,提高了探测精度,为飞机起飞着陆提供了较为准确的气象参数.利用Monte-Carlo方法模拟计算了3种大气消光分布情况下采用该方法测量的积分能见度.结果表明：在激光探测区域内和垂直高度相同的大气消光分布均匀的假设条件下,只要在设计激光雷达时,恰当选择系统参数（如激光脉冲能量、积分累计时间、窄带滤光片带宽等）使得信噪比满足一定的条件,该方法是可行的,且能见度探测误差不超过4.3%.     

深圳地区多普勒测风激光雷达的湍流观测

激光雷达可以快速实现对大气风场的非侵入测量, 获得精确三维风矢量。为验证测风激光雷达观测湍流的可 行性并获得湍流观测特征, 利用相干多普勒激光雷达在深圳杨梅坑进行湍流观测实验。依据 Reynolds 分解原理, 应用 小波分解获取湍流脉动并分析大气的湍流运动特征。结果表明: 观测地日平均湍流强度呈现“单峰单谷”结构, 与实验 期间气温的变化呈现较高相关性; 湍流动能引起垂直方向上的输送主要集中在日间 12:00 后, 与湍流耗散率的相关系 数达 0.77; 湍流功率谱密度在惯性副区内基本符合 Kolmogorov“-5/3” 定律。研究结果验证了测风激光雷达可以较为 精确地估算湍流参数。     

综合斜程传输和光束扩展影响下的大气湍流相位屏组设计

设计了综合斜程传输和光束扩展影响下的相位屏组来模拟光束经大气层斜程传输后产生的波前畸变,先利用功率谱反演法和次谐波补偿法生成垂直传输路径的相位屏,再结合斜程大气传输理论对相位屏进行斜程修正,得到适用于模拟斜程大气湍流影响的相位屏。通过数值分析对比了斜程相位屏与垂直路径相位屏相位结构函数的差别。结合光束扩展情况计算每个高度区间对应的波前畸变空间分布,建立了相位屏组模型,最后得到接收光波面各位置的相位分布。     

基于分形的大气湍流随机相位屏数值模拟

激光大气传输湍流效应是制约合成孔径激光雷达高质量成像的重要因素之一,对大气湍流统计特性进行了研究,建立了大气湍流随机相位屏分形模型,使用随机中点位移法进行模拟,分别产生了符合Kolmogorov及non-Kolmogorov统计规律的湍流相位屏.通过计算模拟相位屏的相位结构函数,与理论值比对,验证模拟相位屏的准确性,并与现有的谱反演法和结构函数法进行了对比,分析了各自的优缺点.结果表明,基于分形方法产生的相位屏与理论值更加接近,效果良好.     

考虑多次散射影响的斜程能见度反演方法研究

提出了一种在低能见度天气条件下考虑多次散射影响时激光雷达反演斜程能见度的组合算法。首先,根据Koschmieder定律构建能见度方程,确定斜程能见度与大气光学厚度的依赖关系;其次,根据多次散射激光雷达方程采用双仰角法反演大气光学厚度,并采用半解析Monte Carlo法计算多次散射对单次散射比值;最后,求出考虑多次散射影响时的斜程能见度。使用地基激光雷达垂直探测进行斜程分解的回波信号数据,进行了实验验证。结果表明,在能见度小于1km时,考虑与未考虑多次散射影响的斜程能见度相对误差达9%,并且随着能见度的降低,多次散射对单次散射比值逐渐增大,多次散射作用增强。因此,研究低能见度天气条件下,多次散射的影响是非常必要的。     

扫描激光雷达大气剖面消光系数优化求解

扫描激光雷达可以获取大气剖面,对于了解边界层与云的结构、污染物分布与输送有重要的作用。斜程扫描下,天顶角较大时传统Fernald和Klett消光系数反演方法不再适用,可采用经典两角度方法对激光雷达常数进行校正,进而获取大气消光系数。但经典两角度法求解雷达常数时存在多解问题,如何设定约束条件求取最优解是较难解决的问题。从经典两角度方法出发,在两条斜程上筛选出的大气缓变区域,假定水平均匀,通过线性回归的方法估算雷达常数,并采用一系列约束条件以求取雷达常数最优解,最终得到斜程扫描下消光系数分布,较好地解决了两角度测量中多解问题求解的困难。通过实验验证,即使在天顶角较大或者信号质量不是很好的情况下,消光系数反演依然能够获得较好的效果。结果表明,该方法能够很好地反映出大气的空间结构。     

1.5微米大气探测激光雷达研究进展（特邀）

激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点,是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达,1.5 μm大气探测激光雷达有独特优势,包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年,世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生,实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后,1.5 μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分,1.5 μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶（云）、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水（雨滴谱）,并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。     

基于激光雷达脉冲特性的湍流风速估计方法

提出了一种基于激光脉冲距离权重函数的湍流风场速度估计的方法,可以解决多普勒信息探测晴空湍流风场中精细化的风速测量问题。算法以划分的距离门为单位对速度值进行空间平均,将各距离单元速度与激光脉冲距离权重函数进行卷积运算得到风速的局部估计值。并考虑高斯激光脉冲在湍流风场中的有效空间展宽传输特性,根据直接选取距离门中心位置的速度估计方法和快速的线性平均近似方法的处理过程,引入激光脉冲的传输特性来表达湍流径向风速的统计平均值,以实现湍流风速的测量以及激光雷达在探测湍流上的应用。实验结果表明,在有明显湍流条件的风场环境中,脉冲距离权重方法比线性平均方法在保留真实风场属性的前提下具有相对更小的速度标准差,显示出较好的风速修正效果,提高了激光雷达对湍流风场的测速性能。     

大气光学湍流廓线探测方法研究进展

激光在大气传输过程中,由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应,因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展.通过分析大气光学湍流对多个领域的影响,指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义.要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响,就必须对光学湍流进...     

基于卷积神经网络的激光雷达湍流预警

为实现湍流的自动化预警,提出了一种基于卷积神经网络的激光雷达湍流预警算法。首先,该方法将激光雷达获取的风速数据进行速度结构函数的构建;然后,拟合出涡流耗散率,进而将涡流耗散率构建为像素数据集。将数据集输入一种由两个卷积层、两个全连接层、一个softmax层、若干激活函数组成的卷积神经网络分类模型进行湍流识别;最后,采用学习率递减的方法来调整模型的参数对网络进行训练,网络收敛后,其损失度低至3%,通过对比实验表明网络的准确度可达到85%。运用中川机场2016年机组报告进行对比分析,结果表明:文中方法对大气湍流的预警命中率可达80%、误报率为13.3%、虚警率为6.7%,该方法与Hog-SVM分类方法相比,命中率显著提高,从而证明了该卷积网络模型在湍流预警中泛化能力强,提高了预警效率,能够为管制员和气象预报人员提供一种判断依据。     

基于斜坡检测的多普勒激光雷达低空风切变预警算法

提出了一种新的基于斜坡检测的激光雷达低空风切变预警算法,该算法将下滑道扫描与单双斜坡检测相结合。首先,把下滑道扫描方式下获取的激光雷达径向风速投影到下滑道上,进行数据重构。其次,对逆风风廓线进行单斜坡及双斜坡梯度变化的检测并以国际上规定的低空风切变阈值及风切变强度因子判别公式判断风切变。使用香港天文台实际激光雷达数据进行了实验验证,结果表明新方法能够检测出单斜坡未能检测出的风切变。该方法是有效的,对于提高风切变的预警率有重要意义。     

基于Bulk方法的南海近海面大气湍流特征分析

大气湍流的复杂性以及利用光学手段测量近海面巨量时空范围内大气湍流的局限性,使得利用常规气象要素估算近海面大气湍流成为目前描述巨量时空范围内大气湍流的一种可行的方法。从莫宁•奥布霍夫相似理论出发,结合Friehe等人在分析近海面光学湍流问题上对温度,风速以及湿度脉动的综合考虑,依据1965年至1997年,(10°N~21°N, 110°E~120°E)区域内的常规气象要素,描述典型海域近海面大气湍流特征。结果表明,南海海域近海面大气湍流的平均强度在10-17到10-14量级之间,湍流强度随季节变化较为显著,总体上说,冬季南海大气湍流强度要大于夏季,而空间起伏不显著,滨海大气湍流略大于公海大气湍流,但数值比较不显著。     

联合时频分析在相干测风激光雷达中的应用

相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点,已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号,对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果,自适应最优核时频分布具有运算量小,交叉项抑制效果好,时频聚集度高等优点。最后,使用1.5m相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测,将自适应最优核时频分布应用于实测数据,与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明:自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息,3 km内距离分辨率为1.2 m,3 km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性,时间分辨率为1 s时其最远水平探测范围约在6 km。     

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。