相干激光测风雷达风场测量技术

研发了一套全光纤化相干多普勒激光测风雷达设备,并已作为试验样机应用于XXX工程中。该激光测风雷达工作于人眼安全波段,系统结构设计紧凑,性能可靠,可实现远距离风速测量。首先对相干激光测风雷达风速测量精度进行了理论分析,然后采用放置于103 m高塔上的超声风向风速仪和探空气球作为雷达指标的测试工具,对激光雷达进行外场试验,验证设备的性能。经过试验结果分析,风速数据相关性达95%以上,标准差优于0.8 m/s,风向数据相关性达98.6%以上,标准差优于5。与国外相关激光测风雷达测量精度相当,表明激光测风雷达具有优良的性能,将成为广泛应用的风场测量工具之一。     

含有突变信号的激光雷达能见度反演

激光雷达进行大气能见度探测时,当探测路径上存在云、雾、烟尘或硬目标时,大气消光系数会在局部发生显著变化,表现为激光雷达回波信号在原有衰减趋势上出现突变。受此影响,直接使用现有算法将导致能见度反演精度低或错误反演。为此提出一种将突变点定位、消光系数边界值确定、消光系数迭代反演相结合的能见度反演算法。首先查找、定位突变信号所在位置;然后剔除突变点,利用斜率法得到消光系数边界值;最后基于Fernald法,以迭代方式反演大气消光系数及能见度。对两种典型大气消光模式的仿真实验表明,该算法提高了能见度反演精度,能够获得更为准确的全局能见度。利用自行研制的激光雷达能见度仪实测回波数据也验证了该算法的有效性。     

激光测风雷达分析典型高原机场风场特征

为了对激光测风雷达在民用机场的运行环境适应性及综合保障能力进行评估,采用国产自研激光测风雷达在典型高原机场为期3个月的风场联合监测试验数据,结合同址相关气象资料,分晴、多云、阴、雾及降水等不同气象条件,对激光测风雷达的风场数据进行了分析,以揭示典型高原机场的风场特征,检验国产激光测风雷达的综合保障能力。结果表明,在不同天气类型下,激光雷达的测风性能存在明显的差异,其在晴、多云、阴天整体表现较优,水平最大探测距离最远可达6623m,垂直最高可达2895m;同时,激光测风雷达能精准捕捉到高原机场的风场在时间尺度和空间尺度上的典型变化特征。该研究为雷达在民航的应用提供了参考。     

不同天气类型下全光纤相干激光测风雷达探测性能分析

为了给低空飞行安全气象服务奠定基础,根据2015年7~9月国内新研制的全光纤相干激光测风雷达,联合边界层风廓线雷达和双经纬仪探空气球在我国东北某地获取的探测实验资料,对比了晴天、阴天、雾霾天和雨天4种天气类型下激光测风雷达和风廓线雷达与探空气球风场探测的相关性,以评估激光测风雷达的测风精度和稳定性。结果表明,晴、阴和雾霾天条件下,激光测风雷达测风精度优于风廓线雷达,其水平风与真值误差的标准差低于风廓线雷达的一半;雨天条件下,激光测风雷达探测高度受限,最大可测高度仅为风廓线雷达的一半,表明其风场探测受降水衰减影响比风廓线雷达严重。激光测风雷达测风稳定性优于风廓线雷达,垂向连续高度上其与真值的相关系数变化小且均达到0.9以上。晴、阴和雾霾天条件下,两种雷达测风精度均受大气风速变化影响,且随大气风速增加呈不同变化趋势。     

激光相干测风技术应用研究

激光相干探测技术能够在晴空下实时获得高时空分辨率的风场分布,是目前研究大气风场的一种重要手段。首先简述了 大气风场测量的意义,针对激光相干测风技术进行了介绍。随后结合目前相干多普勒测风激光雷达的发展情况,重点对相干 激光测风探测技术在不同领域上的应用进行分析和总结。最后,通过对比目前相干探测技术的应用缺陷,进一步分析了相干探测技术的应用前景。     

相干多普勒激光测风雷达系统研究及验证

介绍了相干多普勒激光测风雷达国内外现状,阐述了其基本原理,给出了风速矢量反演计算过程,并对相干多普勒激光测风雷达系统方案进行了分析,利用标校塔以及超声波测风仪等设备进行了风场测量验证实验,获得了80~600m处的风场信息,验证了测风系统的设计指标。     

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺 陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过 改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功 率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据 反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s−1。在此基 础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对 近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3∼18 m·s−1, 风场测量位置 2∼30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。     

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。     

激光测风雷达在航空保障中的典型应用分析

为了研究激光测风雷达在航空气象保障中的监测和预警能力,利用激光雷达的多种模式测量数据,对西宁高原机场2019-04-10一次典型风切变天气演变监测过程进行了详细分析,并与机场现有的测风设备数据、机组报告数据进行了对比。结果表明,激光测风雷达在此次风切变探测过程中,能清楚地探测到风切变的结构、位置、高度和移动方向; 激光测风雷达与自观数据相比,实现提前10min左右的预警; 激光雷达对风切变过程的监测结果与机组报告的结果有较好的一致性。该研究对于民航机场利用激光测风雷达预报风切变天气和保障飞行安全具有一定的参考与指导意义。     

后向散射式激光雷达能见度探测研究

根据大气后向散射原理,设计了一台激光雷达能见度仪.在详细介绍系统结构的基础上,阐述了回波信号的数据校准方法,通过采用一种新的基于Fernald方法的迭代算法反演消光系数,获得了较高的能见度测量精度.与美国Belford能见度仪的外场对比实验表明,该激光雷达能见度仪相对测量误差在20%以内.     

应用Zoom FFT方法提高相干测风激光雷达频谱分辨率

脉冲相干测风激光雷达距离门内的回波具有中频高、频带宽、采样点稀疏等特点。采用传统的信号处理方法, 雷达频谱分辨率很难提高。在研究无线电雷达信号频谱细化技术的基础上, 采用Zoom FFT 频谱细化结合数字滤波器组的方法, 通过仿真研究验证了该方法对提高脉冲相干激光测风雷达的频谱分辨率具有良好效果。文章介绍了Zoom FFT 算法和数字滤波器组的原理,对模拟低频和高频信号进行了仿真,并且利用真实风场数据进行了验证,充分证明了该算法对于提高脉冲相干激光测风雷达的频谱分辨率的有效性。     

单多普勒激光雷达机场小尺度风场反演研究

基于机场上空小尺度风场结构特点以及单多普勒激光雷达测风原理,本文在现有气象雷达三维风场反演的VVP方法的基础上,提出一种基于三维风场在分析体积内均匀分布假设的几何反演算法。此方法对单多普勒激光雷达测得的径向速度进行处理,实现对机场上空实际风速大小及其角度的反演,进而对风切变等灾害性天气完成探测。通过反演数据与原始数据进行比较,分析反演误差,结果表明几何方法能够较好的反映小尺度风场变化趋势。     

基于合成孔径激光雷达的目标探测

为了研究合成孔径激光雷达在目标探测中的应用,从建立合成孔径激光雷达的信号传输及回波模型出发,理论分析了合成孔径激光雷达回波信噪比、探测距离、合成孔径时间和解线性调频处理4个方面的特点与优点,并与一般相干体制的激光雷达以及合成孔径雷达进行了对比。结果表明,合成孔径激光雷达比一般相干体制雷达具有更高的回波信噪比和更远的探测距离,且相对于合成孔径雷达具有更快的成像速度。这一结果有助于合成孔径激光雷达应用于远距离目标探测、跟踪与快速预警。     

微脉冲激光雷达的气象应用

微脉冲激光雷达（MPL）是探测气溶胶、云雾和水平能见度的有效工具,具有性能稳定、结构简单、便于移动、探测数据准确、对人眼安全等特点。主要介绍微脉冲激光雷达的原理,两种激光雷达数据处理的方法（斜率法和Fernald法）,及其在气象领域的应用,主要包括：（1）水平能见度以及大雾监测;（2）精确地探测云高、云厚、云区的消光系数和云的层次等信息;（3）大气气溶胶的垂直分布和演变过程。     

1.55μm全光纤多普勒测风雷达系统与试验

为实现对大气风场三维信息快速、准确的测量,以人眼安全波长1.55μm窄线宽光纤激光器为光源,采用全光纤相干探测光路,研制出多普勒测风雷达系统.该雷达整机结构紧凑、体积小、测量精度高,并在原vAD反演方法的基础上,采用了一种遗传算法与非线性最小二乘相结合的改进算法来实现对风场的反演,使其具有更高的数据失真修正能力,风场反...     

相干多普勒激光雷达技术

与传统微波雷达相比，激光雷达具有更高的空间分辨率和灵敏度。激光多普勒雷达作为有效的测速手段，已在遥感空中风场方面得到具体应用。该文介绍了国内外相干多普勒激光雷达的发展情况，并对固态相干多普勒激光雷达的基本组成、工作原理、回波机制以及检测信噪比作了比较详细的论述和分析。文中还结合固态相干激光雷达的特点对该领域的发展趋势作了展望：机载、星载相干激光多普勒雷达技术将得到迅速发展，在军事和民用方面有着广阔的应用价值。     

机动型激光测风雷达倾斜风场修正算法研究

为了解决激光测风雷达处于倾斜放置的情况下测出的风场信息与实际风场之间存在的误差,分析了激光雷达的测量原理、放置情况以及存在的问题,采用空间坐标变换的方法对雷达倾斜状态进行理论计算并给出了修正计算公式。对比了水平放置和横向倾斜7.2°放置的激光雷达的实测数据,发现修正前由于倾斜放置导致雷达所测垂直气流数据间产生的误差较大,加入修正算法进行仿真后,数据曲线吻合良好,修正效果明显。结果表明,空间坐标变换的修正算法可使激光雷达在处于非特定位置时仍能正确地反映实际风场信息,从而验证了该修正算法的正确性和可行性。     

相干激光测风雷达信号处理系统研究

介绍了基于相干探测方式的多普勒激光测风雷达的基本组成结构和原理,着重对激光测风雷达的信号处理系统进行了研究.文中给出了信号处理系统中所采用的多普勒信号处理方法,对采集到的多普勒回波信号进行了仿真研究.采用商业数据采集卡和LABVIEW软件,设计了相干激光测风雷达信号处理系统,并通过搭建的平台实现了激光视向风速的测量.通过模拟的多普勒回波信号,对信号处理系统进行了测试验证,实验结果证明了该信号处理系统能够达到0.8 m/s的速度测量精度.     

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。     

相干激光雷达平衡式相干探测技术研究

为了分析影响平衡式相干探测信噪比的因素,采用数学模型推导了平衡式相干探测原理和信噪比公式,分析了影响平衡式相干探测信噪比的因素,研制了用于相干激光雷达信号接收的平衡式激光探测器,并通过相干雷达样机,完成了气溶胶粒子发生米氏散射回波信号的探测。结果表明,研制的平衡式激光探测器具有非常低的噪声和高探测灵敏度特性,能较好地探测出大气中气溶胶粒子发生米氏散射的激光回波信号。