平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。     

后向散射系数模型及其对雨强反演精度的影响

对典型地表条件下后向散射系数σ0的观测分析有着非常重要的意义,它能够为降水的反演提供巨大的便利.但是由于σ0会受到外界条件的影响而变化,给σ0的使用带来了不便.为此,通过对2002～2005年间TRMM/PR的2A21数据统计分析,获得晴空条件下地表后向散射系数σ0的变化规律,并在此基础上提出晴空三种典型地表条件下(海洋、沙漠、热带雨林)的σ0均值模型,希望给未来降雨反演带来便利.最后利用kZS算法检验了该均值模型对降雨反演精度的影响.由反演结果可以看出,利用σ0的均值模型在地表条件相对均一的海洋、沙漠地区都获得了很好的反演效果,尤其是海洋地区可以在一个相对更大的范围内使用,而在热带雨林地区,只能在一个相对较小的区域内使用.     

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。     

基于高斯拟合的相干激光雷达风速估计算法

分别利用高斯拟合估计算法（Gaussian fitting estimation algorithm,以下简称Gauss估计算法）和最大似然（Maximum Likelihood,ML）离散谱峰值（Discrete Spectral Peak,DSP）估计算法（ML DSP）处理实测回波信号,计算得到风速扰动的功率谱密度（Power Spectral Density,PSD）。根据Kolmogorov湍流理论中PSD与频率的-5/3关系,比较不同距离门下的PSD,采用高频区域的风速误差作为风速估计性能参数,分析比较不同距离情况下风速误差,并利用自相关系数分析风速时间变化的相关性。结果表明:在距离较低的探测区域Gauss估计算法的风速误差微弱小于对应的ML DSP估计算法,二者之间的风速误差差值最多不超过0.05 m/s。而在距离较高的区域,两种算法的风速误差差值从820 m处的0.06 m/s增加至1 200 m的0.16 m/s。在风速的时间相关性分析上,Gauss估计算法的风速时间自相关系数明显大于对应的ML DSP估计算法,说明Gauss估计算法处理的风速数据更具有稳定性。     

瑞利多普勒激光雷达超窄带滤光器的设计

目前中国科学技术大学车载激光雷达已经实现了对于15~60 km中性大气风场的夜间连续观测,鉴于白天观测的信噪比受到背景光的限制,因此,设计了一种利用现有干涉滤光片结合固态FP标准具的超窄带滤光器,用于实现背景噪声的降低。提出了一种结合鉴频器参数确定FP最佳参数的方法,得出了FP标准具的参数,实现了带宽为8.4 pm、中心波长为354.73 nm、自由光谱间距为150 pm、峰值透过率高于0.67的滤光器,将背景噪声降低到原来的十八分之一。该滤光器有效提高了系统信噪比,减小了风速误差,同时计算了温度、角度变化对滤光器带宽、中心波长和透过率的影响,设计了一种角度调谐的方法。实验结果与理论值具有较高的一致性。