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。     

多普勒激光雷达及其单纵模全固态激光器

设计一套测量大气风场的多普勒激光雷达系统,以种子注入的单频、高重频、脉冲紫外全固态激光器为发射光源,采用两种直接探测技术获取高低空大气风场。基于费索干涉仪（Fizeau）的条纹图像技术获取边界层和低对流层大气风场,基于双法布里珀罗干涉仪（DFP）的双边缘检测技术获取高对流层和低平流层风场。研制的单频全固态激光器输出100 Hz、30 mJ的单纵模脉冲激光,输出线宽达到傅里叶转换极限。报道了测量原理和数值模拟结果、实验样机和系统技术参数。系统将用于移动式高低空大气风场测量。     

基于Fizeau干涉仪的大气多普勒频移检测技术

研究了基于激光条纹成像的风速测量技术,根据Fizeau干涉仪透射率函数和大气中的分子散射光谱特征对其优化设计,得到了一套基于任意光束入射的Fizeau干涉仪的系统参数。优化设计结果为Fizeau干涉仪腔长12 mm,平板反射率0.65。最后模拟了该Fizeau干涉仪对分子和气溶胶的联合测量能力。模拟仿真结果表明,在20 m J、100 Hz重复频率和接收口径200 mm条件下,风速测量误差为1 m/s,探测高度为17.8 km。     

基于Fizeau干涉仪的激光风速测量技术

设计和讨论了一种利用Fizeau干涉仪进行激光风速测量的原理。该系统采用Fizeau干涉仪进行信号频谱分析 ,形成的梳状干涉图案强度分布可以通过线列CCD探测器测定 ,其重心位置决定信号的多普勒频移量或径向风速。利用Monte Carlo方法模拟计算了该系统的测量精度 ,结果表明 ,在 90 %的光子数探测几率下 ,多普勒测量精度约是单个CCD探测通道谱宽的 10 % ;激光雷达系统风速测量的精度在垂直高度 2km内优于 2m/s。     

基于Fizeau干涉仪多普勒激光雷达测量的实验研究

实验实现了基于Fizeau干涉仪和线列探测器的条纹技术对多普勒频移和速度的测量。结果表明：在非常大的动态范围内,标准误差是4.2 m·s-1,等于探测器分辨率的6.4%。进一步优化Fizeau干涉仪的系统参数,能够满足测风激光雷达的精度要求。     

影响Fizeau干涉仪测风激光雷达测量精度因素分析

基于Fizeau干涉仪测风激光雷达是利用线列探测器来测量Fizeau条纹的中心移动,以确定由于多普勒效应产生的激光频率变化的。系统噪声及激光本身的发射频率的线宽、光束发散角、发射光及回波信号光在通过干涉仪之前的光强不均匀性,以及探测器的内部结构等因素都会影响到风速的测量精度。本文对这些因素做了较为详细的分析,为提高系统测量精度提供了参考。     

影响Fizeau干涉仪测风激光雷达测量精度因素分析

基于Fizeau干涉仪测风激光雷达是利用线列探测器来测量Fizeau条纹的中心移动,以确定由于多普勒效应产生的激光频率变化的。系统噪声及激光本身的发射频率的线宽、光束发散角、发射光及回波信号光在通过干涉仪之前的光强不均匀性,以及探测器的内部结构等因素都会影响到风速的测量精度。本文对这些因素做了较为详细的分析,为提高系统测量精度提供了参考。     

探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达,采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法,对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究,取得了边界层内的大气温度数据。结果表明,该激光雷达测量的大气温度在0km~2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性,激光能量为100mJ,测量时间约为17min,垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K,可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量;如果要使测量的高度进一步增加,可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。     

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。     

激光大气雷达系统中重合系数的计算

为了满足探测的目的,有效获取和反演雷达数据,需要对激光雷达系统的参数进行设计。给出了激光大气雷达系统中重合系数(几何因子)的计算方法,并且结合我校现有的激光大气雷达系统的技术参数,从对0～3km的气溶胶后向散射回波的有效探测出发,讨论了系统参数对重合系数的影响和利用改变系统参数的方法改变重合系数,以实现对激光雷达系统优化设计的可行性。计算和分析表明,该方法简单、直观、有效。     

基于Fizeau条纹技术的测风激光雷达风速反演方法

建立了基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达后向散射信号的理论模型,并利用最小二乘拟合方法结合数值迭代方法反演风速。该方法无需确切知道实际系统参数的大小和测量时的大气状况。风速反演的精度受迭代次数的影响,而迭代初值的选取只会影响迭代的收敛速度。用Monte-Carlo方法模拟了低对流层的回波信号并进行了风速反演,验证了该风速反演方法的可行性。模拟的系统参数在0～5 km高度,由信号的散粒噪声引起的系统误差小于1 m/s。     

对基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达的研究

介绍了基于Fizeau干涉仪测风激光雷达的系统结构。在已有的系统参数下,对探测器测量的频率范围和Fizeau楔角作了优化,得出的系统误差在3 km处小于0.17 m/s。讨论了不同的数据反演方法。采用Voigt拟合法对用Monte?蛳Carlo方法模拟的信号进行了多次处理,反演出的风速和实际值相差很小,标准偏差和用最小二乘拟合方法的系统误差公式值相符。表明用Voigt拟合方法反演风速是可行的,尤其在大风速情况下,其优势明显。在3 km处,当K=0.1时,探测器的盲区存在将产生约0.01 m/s的测量误差。     

利用Fizeau干涉仪进行激光风速测量的原理分析

导出了激光多普勒雷达基于Fizeau干涉仪及CCD探测器进行测风时,每个CCD元最终接收到信号的一般表达式.对系统的参数做了整体优化,得出一组优化参数.在0～3 km高度,得出系统风速误差小于0.16 m/s.对最终的风速反演分别运用最小二乘拟合法和重心法.分析表明最小二乘拟合法只适用于风速较小的情况.详细分析了运用重心法计算风速必然会引起的误差,并提出一种解决方法.修正后,在±30 m/s风速范围内,该方法产生的误差小于0.25 m/s.     

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。