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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

非相干多普勒测风激光雷达鉴频算法

风场对大气的运动状态和运动趋势具有很强的代表性,所以风场的测量精度对数值天气预报和气候研究都至关重要。激光雷达具有很高的时空分辨率,在近几十年发展迅速,在对地观测中的作用越来越大,尤其在大气风场的探测中得到了很大的应用。本文从探测原理、分类和技术等方面分别对多普勒测风激光雷达进行了介绍,并着重总结了非相干多普勒测风激光雷达的多普勒频移算法,可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。     

大气重力波引起的偶发钠层研究

利用了中国科学院临近空间环境野外综合探测站（廊坊,39N,116E）的钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的探测数据对廊坊上空大气重力波引起的偶发钠层（SSL）进行了研究。首先从大气重力波方程出发,计算分析了大气水平风剪切和垂直风场之间的相位关系;其次利用了钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的实测数据对大气重力波引起的偶发钠层进行了分析研究;经研究分析可知,由于大气重力波引起强的水平风切变和垂直风场风向反转的共同作用,其堆积效应使得钠原子密度增强,形成了偶发钠层。     

中高层大气瑞利多普勒测风激光雷达性能分析(英文)

设计了基于Fabry-Perot(FP)标准具的中高层大气(20~60 km)多普勒测风激光雷达(DWL)系统。介绍了激光雷达的多普勒测风基本原理;根据探测指标分别给出了DWL的发射机、接收机、发射接收光学和风场反演等子系统方案,重点对接收机的参数进行了详细的设计与分析;最后对全系统的信号信噪比、探测偏差进行了理论模拟。得出的结论为:当脉冲累计时间为5 min(15 000 shots)时,该系统在晚上60 km高度处的探测偏差为3.6 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。     

瑞利测风激光雷达系统性能改进与中高层大气风场观测

开展了瑞利测风激光雷达系统性能改进和效率提升研究,改进接收系统光信号的耦合效率、传输效率和采集效率,使改进后的接收机光学效率比原接收机提高1.874倍,解决了系统在紫外波段光学效率低的问题。优化了校准参数,并将标准具表面反射率提高至80%,使激光频率锁定精度满足系统探测精度的需要。增加60m准静态零风速实时校准管道,消除多普勒零点偏移产生的测量误差,提高了系统探测精度。利用改进的瑞利测风激光雷达进行大气风场探测实验,与探空气球相比风速和风向最大相差6.73m/s和24.6°,平均相差1.28m/s和2.65°,获取了多区域高时空分辨率的风场数据,为研究中高层大气变化规律、认识空间环境的区域变化特征提供了必要的数据支持。     

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。     

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。     

多普勒测风激光雷达数据处理方法分析

介绍了基于双Fabry-Perot标准具的测风激光雷达的工作原理,分析了大气分子散射对风速测量的影响,并给出了相应的数据处理方法。模拟并分析了两种不同迭代初值在1～3次迭代时产生的系统测量误差,给出了1 km和5 km处风速的测量误差。利用自行研制的一台多普勒测风激光雷达对合肥地区对流层风场进行测量,并用两种方法处理了实验数据。结果表明,改进的数据处理方法是切实可行的。     

基于瑞利多普勒激光雷达数据的重力波测量与分析

对于平流层的高空间分辨率的重力波连续测量和研究非常稀少。近几年中国科学技术大学的瑞利多普勒激光雷达观测了大量的重力波事件,这得益于激光雷达系统在重力波研究中的优越特性。文中对激光雷达系统作出了一个简单的介绍,并且展示了位于中国酒泉（39.741N,98.495E）,垂直高度范围在15~60 km,自2015年10月7日起持续了两个月的重力波夜间观测结果。在对一些重力波事件分析过程中,对中尺度的水平风速进行了二维波谱分析之后,发现重力波波动非常明显,这些波动的波长范围主要集中在3~6 km,而周期大约为10 h。这些观测结果都肯定了瑞利多普勒激光雷达在重力波观测应用方面的优势。     

瑞利测风激光雷达夜间准零风层观测结果分析

一台用于观测对流层和平流层风场的车载瑞利测风激光雷达于安徽合肥建成,该雷达使用双边缘技术,设计探测高度10~40 km,距离分辨率分别为100 m(20 km高度以下)和500 m(20 km高度以上)。在2011年夏季该雷达于新疆乌鲁木齐地区(42.1N,87.1E)进行了风场观测实验并成功观测到了平流层准零风层大气结构,给出了几组夜间典型的风场数据,根据观测结果得出:准零风层底部高度稳定在17~18 km高度而不随时间变化,而准零风层厚度则随时间有一个先增大后减小的趋势,并在北京时间凌晨0点~3点期间达到最大值。在观测中出现的准零风层厚度最大值超过15 km,最小值则仅有约2~3 km。分析认为:准零风层厚度的变化与夜间平流层接收到的紫外线辐射强度变化有关,同一时刻不同纬度上的平流层接收的紫外线辐射强度变化程度不同,导致平流层温度梯度继而大气环流的速度发生变化,从而引起准零风层厚度变化。     

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。     

大气CO_2相干探测激光雷达系统性能分析

探测大气CO2浓度对气候环境的研究具有重要意义.采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比.目前1.5 μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5 μm可能成为未来探测大气分子或气溶胶激光雷达的主流波长.阐述了激光雷达相干探测大气CO2的原理,设计了1.5 μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5 μm相干探测CO2是可行的,经过3 min的脉冲积累,在3 km处仍具有高于10的信噪比值.该激光雷达相干探测系统也可用于大气风场探测.     

利用Fabry-Perot标准具的米散射测风激光雷达接收机

介绍了基于米散射多普勒测风激光雷达的基本原理。测风激光雷达系统一般由发射系统、接收系统、信号发射接收光学系统、控制系统组成,其中接收系统在整个系统中最重要,起到信号鉴频的作用。基于测量误差最小和实际加工工艺的考虑,设计了标准具的参数和米散射测风激光雷达接收机的结构,并且把该接收机用于米散射测风激光雷达系统中并进行了标准具透过率的测量,用Pseudo?鄄Voigt函数拟合出标准具的各个参数,与理论设计相差在5 %以内。同时进行了风廓线的初步测量,与风廓线雷达Airda16000进行了比对,两者符合很好。