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。     

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。     

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。     

基于双F-P标准具的直接探测测风激光雷达

研制了基于双F-P标准具直接探测的地基测风激光雷达.简要回顾了双边缘直接探测技术,介绍了系统结构与控制.为验证系统测量结果的准确性,研制了多普勒校准仪.在+40 m/s动态范围内的校准实验表明:当累计光子数达到2 000时,测风激光雷达系统对靶盘径向转速测量的标准误差为0.6 m/s.风场观测初步对比实验时,测风激光雷达的测量结果与风廓线测量结果一致.给出了24 h连续大气风场观测的结果:风场观测的垂直分辨率为21.2m,每个径向观测的累积时间1 min,当激光雷达扫描视场内有云层时,测风激光雷达的探测高度可达10 km.     

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。     

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。     

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...     

直接测风激光雷达中可编程门控的实现

直接探测多普勒测风激光雷达因具有测量精度高、空间分辨率高、三维风场分布等特点,成为目前国际上主流的大气风场测量手段。测风激光雷达使用高灵敏的单光子探测器接收大气的后向散射信号,但受探测器动态范围的限制,必须在低空具有强后向散射信号时关闭探测器,高空时打开探测器来保护探测器,并且对不同的天气情况探测器的开关时间也有所差别。采用FPGA(Field Programmable Gate Array)和MCU(Microprocessor Control Unit)结合的电路设计有效地解决了探测器控制的问题。     

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。     

机载测风激光雷达下视VAD反演及算法仿真

为了研究机载测风激光雷达对机下空域3维风场分布进行探测的问题,基于陆基测风激光雷达建立风场模型,采用Levenber-Marquardt(LM)最小二乘法优化径向速率,与传统反演算法进行了仿真对比.结果表明,机载测风激光雷达的工作原理和扫描方式与陆基测风激光雷达类似,不同的是,机载测风激光雷达不仅受飞机速度干扰,而且存在飞机飞行状态不稳定性影响、地球曲率影响、地面强散射回波干扰、地面杂波干扰等特有误差来源,使得风场反演难度更大;而LM最小二乘法具有Newton-Gaussian最小二乘法的快速收敛特性和梯度下降法的保证收敛特性,能满足风场快速和准确的反演.相关结果对测风激光雷达的优化具有参考价值.     

基于FP标准具的直接探测多普勒测风激光雷达

已研制成功一台1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达,采用Fabry-Perot(FP)标准具的双边缘技术,用于探测对流层三维风场廓线分布.介绍了多普勒测风激光雷达的基本工作原理、总体结构和技术参数,较为详细地叙述了各部分的结构及其功能,并给出了合肥地区对流层风场廓线分布的初步探测结果.结果表明,该激光雷达性能稳定,达到了设计指标.     

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。     

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。     

风廓线雷达测量精度分析

风廓线雷达是用于大气风场探测的无线电遥感系统,实践表明它是一种很有发展前途的测风设备。本文介绍了我所边界层风廓线雷达的组成和工作过程,分析了边界层风廓线雷达的测量精度。     

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。     

相干测风激光雷达微弱信号的频率估计

相干测风激光雷达通过探测大气气溶胶的多普勒频移信息获取风速信息。其回波信号为微弱信号,微弱信号中频率提取属于频率估计范畴。经补零处理后的快速傅里叶变换算法（补零FFT算法）应用于相干测风激光雷达频率估计,具有算法简单,运算速度快,稳定性高等优点。与常用的频率估计算法脉冲对算法（PP算法）和改善型脉冲对算法进行比较,验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达微弱信号频率估计方面的明显优势。通过仿真软件MATLAB仿真非相参积累脉冲3 000次的前提下检测微弱信号（距离门宽度为128采样点）信噪比可达-26.6 dB。最后,通过风场试验获取实测风速数据,验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达中应用的优越性。     

基于Fabry-Perot标准具的多普勒测风激光雷达

研制了1 064 nm直接探测多普勒测风激光雷达,采用Fabry?蛳Perot标准具的双边缘技术,探测了对流层三维风场分布。介绍了多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数,较为详细地叙述了各部分的结构及其功能,并给出了合肥地区对流层径向风速的初步探测结果。结果表明,该激光雷达系统性能稳定,夜晚的探测高度可以达到9 km。     

“激光雷达”专栏序言

随着激光技术和光电探测技术的发展,激光遥感技术也得到迅速发展和广泛应用。相比其他遥感设备,激光雷达具有探测精度高,时空分辨率高的优势,在大气环境、气候、气象研究领域方面受到广大科研:工作者的关注。激光雷达的探测空间从近地表的对流层、平流层一直到中间层(0~120 km);探测对象从气溶胶、云、污染气体、湍流、大气温湿度及风场等各种大气参量。近些年,单光子探测技术、量子雷达等新技术不断涌现,并成功应用于激光雷达探测,进一步拓宽和扩展了激光雷达的探测能力。     

基于相关法的测风激光雷达

提出了区别于传统多普勒测风激光雷达的相关法测风理论。此方法不需要对回波信号频谱进行分析,只对回波信号的强度进行监测。由于大气气溶胶密度分布的不均匀,且会随大气风的作用运动,激光雷达进行一段时间探测后可以得到气溶胶的密度分布数据。对不同位置探测到的数据进行相关分析,即可得到距离和时间信息,从而得到速度信息。由于和传统多普勒测风雷达原理不同,相关法测风激光雷达对器件的要求相对较低,容易实现,成本更低。     

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。