临近空间多普勒激光雷达技术及其应用（特邀）

研制了车载钠荧光散射多普勒激光雷达和车载532 nm瑞利散射多普勒激光雷达用于测量临近空间大气温度和风场。在钠荧光散射多普勒激光雷达中使用了三频比率多普勒测量方法获得80~100 km的温度和风场。在532 nm瑞利散射多普勒激光雷达中,使用碘分子吸收线边缘技术测量70 km 以下的风场,使用积分方法测量80 km以下的温度。在距离分辨率为1 km、时间分辨率为1 h情况下,40 km处的大气温度、风速测量不确定度约为0.2 K和0.4 m/s;70 km处约为1.5 K和5.5 m/s;92 km处约为0.3 K和1.0 m/s。这两部激光雷达已经在北京、青海、甘肃等地进行了长期观测,应用于临近空间环境特性研究。     

高低空一体化测风激光雷达

高时空分辨率的大气风场探测对提高数值天气预报的准确性、大气动力学过程的研究、气候研究等具有很重要的意义。介绍了基于双Fabry-Perot标准具的直接接收激光多普勒测量原理。提出了40 km的高低空大气风场同时观测的技术方法。给出了利用大气气溶胶和分子散射信号的Mie-Rayleigh多普勒测风激光雷达的系统结构,并分析了工作波长、望远镜口径、扫描天顶角和标准具参数等激光雷达系统参数。研究了扫描角度误差、气溶胶后向散射信号、大气温度对风场探测精度的影响。分析了雷达系统的总体性能,得出在40 km高度处,当距离分辨率为500 m、时间分辨率为30 min时,水平风速探测精度优于6 m/s,可以满足有关应用的要求。     

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。     

钠多普勒激光雷达大气参数反演方法

钠多普勒激光雷达以75～110 km大气层中的Na原子为示踪物,由接收到的共振荧光散射回波光子数反演该高度范围内大气温度、风场及钠原子数密度廓线.研究钠激光雷达大气风场和温度反演的方法,分析激光雷达光子计数中的脉冲堆积效应和钠层吸收对反演结果的影响,并提出改正方法.将该方法用于美国伊利诺斯大学激光雷达实测数据的反演,反演结果与该大学的结果相符合,验证了反演方法的正确性.最后对测量数据进行了误差分析,给出噪声光子数引起的误差剖面及实验测量精度.     

大气风场和温度测量的激光雷达系统及其分析

文中提出了改进的双通道Fabry-Perot(F-P)干涉仪大气风场和温度测量激光雷达系统。该系统采用偏振隔离技术，提高了Rayleigh散射信号光强的利用率，从而提高了系统的测量精度。通过对系统的数值模拟计算，结果表明：风速和温度的测量精度在30km高度分别达到1.5m/s和1.8K，与过去的系统相比测量误差分别降低了近40%和30%。     

基于双法布里-珀罗干涉仪多纵模米散射多普勒激光雷达技术EI北大核心CSCD

提出了基于双法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模米散射多普勒激光雷达技术,分析了探测原理,并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域,由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数EV随匹配误差的增大而迅速增大;频率匹配误差不变时,EV随风速增大而缓慢减小;当频率匹配误差小于10 MHz时,EV将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数,对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明:在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内,当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时,系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s;在无云条件下,系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。     

基于布里渊激光雷达测量大气声速误差分析

为了对大气声速误差进行分析,利用布里渊散射信号激光雷达对大气声速进行了测量,分析了大气声速与大气布里渊频移、大气折射率和入射激光波长的具体关系,利用该方法测量了大气声速的精度,并进行了数值分析。结果表明,在标准大气条件下,0km～86km海拔高度范围内大气声速测量的不确定度小于0.269m/s。该误差的分析对激光雷达的设计具有参考价值。     

中高层大气测风激光雷达数据采集系统

研制了应用于中高层大气(15~60 km)多普勒测风激光雷达(DWL)的双模式数据获取系统(DMDAQ)。该系统技术指标达到国际先进水平,不仅满足了中高层大气多普勒测风激光雷达线性动态探测范围大、时空分辨率高的技术要求,而且以其集成度高、可重构的特性满足当前车载DWL研制中小型化和更新升级的需要。为了验证该数据获取系统的性能,进行了风场观测对比实验。结果显示,车载DWL系统对风场观测的结果与气球探测结果在重叠区域(15~35 km)上基本一致。同时,对车载DWL系统的实时回波信号分析显示,在60 km探测高度上的风速测量精度为6 m/s。     

基于布里渊激光雷达测量大气声速误差分析

为了对大气声速误差进行分析,利用布里渊散射信号激光雷达对大气声速进行了测量,分析了大气声速与大气布里渊频移、大气折射率和入射激光波长的具体关系,利用该方法测量了大气声速的精度,并进行了数值分析.结果表明,在标准大气条件下,0km～86km海拔高度范围内大气声速测量的不确定度小于0.269m/s.该误差的分析对激光雷达的设计具有参考价值.     

接收光路光束发散角对多普勒测风激光雷达测量精度的影响

介绍了已研制的基于Fabry-Perot标准具直接探测多普勒激光雷达的风速测量原理,讨论了接收光路光束发散角对测风激光雷达系统测量精度的影响.数值计算结果表明当接收光路光束发散角小于1 mrad时,由于光束发散引起的多普勒速度测量相对误差可以控制在5%之内,并在实测光路发散角的基础上分析了系统的测量误差,结果显示,在5 km时最大测量速度误差为0.6 m/s.     

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。     

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°。     

铁共振荧光多普勒激光雷达光源的频率稳定性研究EI北大核心CSCD

种子注入的372 nm稳频Nd:YAG激光器作为铁共振荧光多普勒激光雷达的激光光源,其性能将直接影响大气温度和径向风速的测量精度,属于研制难度较大但极其重要的关键技术。文中对激光光源的频率稳定性进行了仿真分析和实验研究。利用蒙特卡洛方法,仿真了振荡级输出1116 nm脉冲光的频率稳定性(均方根)应小于1 MHz;对改进型Ramp-Fire种子注入技术进行了详细介绍,并在振荡级光路中采用了该技术;通过激光拍频实验,测量得出1116 nm脉冲光在10 min内的频率稳定性的均方根为543.24 kHz,其结果满足指标要求,可将频率抖动和频率漂移引起的系统误差减少至0.51 K和0.61 m/s。文中所做工作为铁共振荧光多普勒激光雷达实现大气温度和径向风速的高精度测量提供了必要保障。     

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。     

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。     

直接探测多普勒激光雷达的光束扫描和风场测量

介绍了直接探测多普勒激光雷达的系统结构和主要参数，给出了该系统进行大气风场测量的光束扫描方法，详细推导了三维风场的计算公式，给出了其风速和风向误差的求解方法。在径向风速均为1 m/s和扫描角度误差均为1°的情况下，水平风速和风向的误差分别为1.155 m/s和0.707°。给出了合肥地区对流层风场的测量结果，结果表明，采用该方法测量大气风场是切实可行的。     

车载测风激光雷达风廓线同步观测实验

多普勒测风激光雷达能够实现高时空分辨率的大气风场测量,中国海洋大学成功研制了可以测量风廓线和三维大气风场的车载多普勒测风激光雷达,并已交付中国气象局使用。为了检验该激光雷达的测量性能,2011年春季开展了车载激光雷达与探空气球风廓线同步观测实验,获取了55组比对数据。本文介绍了此次同步观测实验,给出了激光雷达和探空气球风廓线数据的比对个例,并对所有比对数据进行了统计分析。同步比对结果显示,激光雷达与探空气球风廓线数据的风速均方根偏差为2.76 m/s。通过分析比对偏差,证明了激光雷达风廓线测量结果的准确性。     

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。     

三通道瑞利散射测风激光雷达风速反演算法

为了获得更为准确的大气风速廓线,使用国内首台基于三通道Fabry-Perot标准具的瑞利散射测风激光雷达进行风场测量,提出了根据实测数据及时调整标准具位置的激光频率反演方法。此方法有效减小了激光频率漂移和抖动造成的反演误差,同时对传统风速算法进行了改进。利用非线性迭代算法处理数据,通过对两种算法处理结果的比较,发现迭代算法具有更高的反演精度。使用非线性迭代算法对三通道瑞利散射多普勒测风激光雷达风场测量数据进行处理,得到了10km～40km的大气风速廓线。结果表明,此种风速反演算法切实可行,并提高了反演精度。     

双激光束的非多普勒激光雷达测风系统研究

为设计一种低成本、高精度、可遥测的风速测量装置,基于米散射理论和泰勒冻结假设,提出了一种双激光束的非多普勒激光雷达测风系统。设计了以532 nm激光器为光发射单元,电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)为光接收单元,计算机为信息处理单元的非多普勒激光雷达测风实验装置。在风速为3m/s和2 m/s的条件下,双激光束的前向散射回波信号分别生成了左、右两束激光的光强图;对光强图进行处理,获得了气溶胶从一束激光运动到另一束激光所需的时间。结合两激光束的间距,在风速3m/s和2 m/s的条件下,获得了风速测量值,平均测量值与实际值的误差分别为7%和7.33%。非多普勒激光雷达测风系统设计简易、成本低廉,具有很强的现实意义。