瑞利散射测风激光雷达接收机的研究

介绍了分子散射多普勒测风激光雷达的基本原理。优化了三通道法布里-珀罗标准具的自由谱范围、带宽、峰值间隔和有效口径等参数。设计了分子散射多普勒测风激光雷达接收系统的结构,设计时充分考虑了系统的热稳定性和机械结构的稳定性。该接收机结构非常紧凑,可以放置在宽度约48cm(19in)、长度550mm的机柜中。具有这种接收机的多普勒测风激光雷达具有很好的商业应用前景。     

直接探测测风激光雷达的性能分析

综述了激光雷达大气风场测量的方法，提出了采用直接探测到量三维风场分布的F-P干涉仪方法，简述了测量原理，分析了系统的性能和测量误差，比较了基于分子散射和气溶胶散射的系统测量精度，给出了基于瑞利散射的激光雷达系统方案。     

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。     

基于法布里-珀罗标准具的测风激光雷达探测数据分析

利用多普勒测风激光雷达(DWL)进行实地风场探测,对探测数据进行深入分析。介绍了基于三通道法布里-珀罗(FP)标准具的多普勒频率检测等基本原理,给出了DWL结构组成和系统参数;并分别给出了该DWL与风廓线雷达(WPR)低空对比探测数据、与气球探空仪高空对比探测数据,结果表明,低空数据的风速偏差在0.1~1.2 m/s,风向偏差在1°~9°之间,高空数据的风速偏差在0.1~2 m/s之间,风向偏差在1°~12°之间,表现出良好的一致性;对DWL数据精度进行分析,得出光束入射角、发散角、信噪比和探测器是影响精度主要因素的结论,从标准具透射率扫描拟合曲线入手,计算得出该型DWL实际探测偏差值高出理论值2.07%。     

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。     

基于双级联法布里-珀罗干涉仪多纵模测温激光雷达技术

提出了基于双级联法布里-珀罗干涉仪(FPI)的多纵模高光谱分辨率测温激光雷达技术。分析了该技术的温度探测原理,并据此构建温度探测的理论模型,导出了温度和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光发射源的纵模间隔与双级联FPI的自由谱间距相匹配,并将各纵模的中心频率锁定在前级FPI周期性频谱的峰值位置。详细分析了频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差,结果表明：后向散射比越大,相同的频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差就越大;频率匹配误差对温度测量的影响大,为保证低层大气温度测量准确,频率匹配误差和锁定误差应分别小于5 MHz和10 MHz。进一步给出了采用FPI腔长粗扫和细扫相结合的频率匹配校准方法和步骤。设定合理的系统参数,对基于双级联FPI的多纵模测温激光雷达系统的探测性能进行仿真分析。结果表明：在0～20 km高度范围内,通常匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差很小,在2 km以上可忽略不计;若出现云层、沙尘等,对应高度的温度测量偏差将会较大;垂直距离分辨率取30 m@0～12 km和60 m@12～20 km、时间分辨率取1 min时,白天和晚间由噪声引起的温度测量误差...     

合肥钠测温测风激光雷达与武汉流星雷达水平风场的对比研究

中间层顶区域大气温度和风场是研究中高层大气动力学的重要参量。简要介绍中国科学技术大学钠测温测风激光雷达系统。其可用于高分辨率探测中间层顶区域（80~105 km）大气温度和风场。给出了该激光雷达测量大气温度和风场的基本原理,对系统的发射部分、接收部分和光电探测采集及时序控制部分进行简要介绍,给出了该系统探测的大气温度和风场的结果。温度和风场结果分别与TIMED/SABER卫星仪器和武汉地基流星雷达观测结果进行了对比。     

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。     

基于瑞利散射的测风激光雷达研制

介绍了全球大气风场观测的重要性,研制了一台基于三通道标准具的车载瑞利多普勒测风激光雷达,用于平流层的风场探测.较为详细地介绍了测风的基本原理、系统的总体结构以及技术参数.利用紫外光在大气分子中的低吸收和高散射特点选取355 nm作为工作波长.描述了三通道标准具的结构以及利用脉冲光对标准具的透过率曲线进行了扫描,结果表明...     

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%。     

直接测风激光雷达外场实验稳频方法

基于Fabry-Perot标准具的直接探测测风激光雷达是中高层大气风场探测的有效手段之一,系统保持长期稳定地运行是监测风场变化的基本需求;通过对DWL给出的无效探测数据进行的深入剖析,得出是激光发射频率发生了相对漂移所致;然后,搭建实验验证内在机理,得出,Nd:YAG激光器中种子激光器工作环境温度每变化1℃将导致激光发射频率产生1.536 GHz漂移,可致使透过率变化最大达46.1%,标准具工作环境温度每变化1℃相当于激光频率产生的相对漂移量737.7 MHz;当满足小于1 m/s的系统误差时,需要建立三级温控机制,将系统整体处于调控精度为1℃的恒温环境中工作,另外将种子激光器、标准具分别置于调控精度为0.001℃的恒温箱内工作,能够满足风场探测的要求。     

测风激光雷达中F-P标准具频率跟踪方案及实现

在直接探测测风激光雷达中,多普勒频移由高分辨率的Fabry-Perot标准具检测得到。指出了激光频率与标准具腔长随环境温度的变化导致测量误差增大的问题,提出了频率跟踪的解决方案。使用散射光纤对激光脉宽进行扩展,在双通道标准具的基础上增加专用于频率跟踪的通道,使用光电倍增管检测光强,设计制作了基于采样的频率跟踪电路。仿真实验表明,该方案能够实现标准具腔长与激光发射频率的动态跟踪。     

相干多普勒测风激光雷达的频率估计算法

采用Welch谱估计结合自相关检测与能量重心法的频率估计算法,来提高淹没在噪声中的相干测风激光雷达多普勒信号频率估计的精度问题.通过将信号进行自相关预处理,然后由Welch谱分析获取功率谱进行频率的粗估计,最后由能量重心法进行频率校正来获取高精度的信号频率.仿真表明,本文算法有较低的平均绝对误差和均方根误差且性能稳定,...     

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。     

多普勒激光雷达风场反演研究进展

多普勒激光雷达因高精度测量、高空分辨率等特点对晴空天气的风场探测具有重要应用价值,但多普勒激光雷达只能获取径向风速,必需进行风场反演.介绍了单部和多部多普勒激光雷达的风场反演技术的国内外进展及优缺点,其风场反演算法主要在微波雷达的基础上进行优化和创新.结果表明,单部多普勒激光雷达中变分方法是最有前途的方法;早期多部雷达...     

直接测风激光雷达中F-P标准具的频率动态锁定

直接探测多普勒测风激光雷达中,双边缘技术可分别测量回波信号中大气分子散射和气溶胶散射的成分,因而在保持高测速灵敏度的同时,可以减小瑞利背景噪声的影响.这决定了其在大气对流层风场观测的优势地位.直接探测双边缘技术中,使用双通道Fabry-Perot标准具作为鉴频器,将频率变换转换为信号强度变化.该技术的前提是出射激光频率始终处在双通道标准具透过率曲线的交点频率附近.提出的标准具腔长调制反馈电路方法有效解决了该问题.     

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。     

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。     

天基大气环境观测激光雷达技术和应用发展研究

根据大气观测目标,从云-气溶胶、风场和大气分子三个主要方向对天基激光雷达在大气环境观测领域的应用、配置和相关技术发展进行了分析,研究了天基大气环境探测激光雷达的探测机制、技术体制、系统配置、应用现状、适用范围、约束条件等,提出天基大气环境观测激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标、各技术体制特点和器件及处理技术特点合理制定指标体系,充分发挥激光技术长项,与其他载荷手段优化配置,技术研究方面应扬长补短短,并在此基础上展望了天基大气环境观测技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。