双激光束的非多普勒激光雷达测风系统研究

为设计一种低成本、高精度、可遥测的风速测量装置,基于米散射理论和泰勒冻结假设,提出了一种双激光束的非多普勒激光雷达测风系统。设计了以532 nm激光器为光发射单元,电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)为光接收单元,计算机为信息处理单元的非多普勒激光雷达测风实验装置。在风速为3m/s和2 m/s的条件下,双激光束的前向散射回波信号分别生成了左、右两束激光的光强图;对光强图进行处理,获得了气溶胶从一束激光运动到另一束激光所需的时间。结合两激光束的间距,在风速3m/s和2 m/s的条件下,获得了风速测量值,平均测量值与实际值的误差分别为7%和7.33%。非多普勒激光雷达测风系统设计简易、成本低廉,具有很强的现实意义。     

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。     

分子散射对星载测风激光雷达Mie通道的影响

多普勒测风激光雷达利用大气中粒子的后向散射信号谱测量风速,但分子和气溶胶后向散射强度和光谱宽度差异较大,所以在实际测量中需要根据分子和气溶胶的垂直分布情况选择不同的信号。当选择气溶胶散射信号反演风速时,会受到分子散射信号的影响。本文研究了分子散射对星载多普勒测风激光雷达Mie通道风速反演的影响问题,并进行了仿真模拟,结果表明,当直接利用探测器接收到的原始信号进行风速反演时,分子散射信号会增大反演误差；因此基于探测器所有通道上光子数最小的一个通道上的光子全部来自于分子散射的假设,提出了一种减小分子散射信号对Mie通道风速反演干扰的方法,通过模拟表明,利用该方法后,对流层内风速反演精度明显提高,相对误差从原来的20%~30%减小到10%以内,除近地层以外的相对误差小于5%；但平流层内的误差几乎不发生变化。     

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。     

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺 陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过 改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功 率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据 反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s−1。在此基 础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对 近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3∼18 m·s−1, 风场测量位置 2∼30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。     

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。     

应用于测风激光雷达的多普勒校准仪

测风激光雷达作为一种测速工具,系统的多普勒校准是验证测量准确性的关键步骤之一。针对车载、机载测风激光雷达的校准要求,设计了便携式多普勒校准仪。其基本原理是:利用已知目标的运动速度,与激光雷达系统测得的目标运动速度比较,得到系统的速度校准曲线。研制的多普勒校准仪自身系统相对误差为1%,小于激光雷达测量误差;其多普勒散射信号频谱展宽小于0.7 MHz,可以等效为气溶胶的后向散射谱。径向速度的连续调节范围可达±50 m/s。实验结果显示:当探测光子数接近2000时,激光雷达测速的精度为0.6 m/s。     

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。     

基于单多普勒激光雷达的机场风场预报方法

基于机场上空的低空小尺度天气系统风场结构以及单多普勒激光雷达测风原理,对已有变分同化方法和涡度-散度风场反演方法进行改进,利用变分同化方法对由单多普勒激光雷达所测的径向风速进行同化,预报它在未来时序时的估计值,再利用改进的涡度-散度方法对预报的径向风速进行反演,实现对三维风场的反演,从而成功实现对风场的预报.最后,通过对机场上空的天气结构仿真,分析了这种方法对径向风速实现的三维风场的预报的优缺点及其误差.     

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。     

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。     

1.06 μm多普勒激光雷达的低对流层风场测量

介绍了一套基于双边缘检测技术的1 064 nm Mie 多普勒测风激光雷达系统。采用Farbry?蛳Perot标准具作为频率检测器，分析了风场中大气气溶胶运动造成的多普勒频移。利用转盘硬目标的速度校准系统对接收机校准，在±40 m/s的径向速度范围内，校准精度小于1％。给出了从2006年4月23日起连续八天的风场测量结果。     

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。     

探测有机气溶胶荧光激光雷达的设计研究

为了能够实现对大气中有机气溶胶颗粒的探测,采用激光诱导荧光技术,提出了适用于探测大气有机气溶胶颗粒的荧光激光雷达系统模型.对系统模型及探测原理进行了详细描述,给出了荧光雷达系统参数,并对系统的探测能力进行了模拟.结果表明,该系统在夜间测量时,在5km以下,对有机颗粒的最小可探测浓度可达到几个颗粒/L;对于白天测量,由于太阳背景辐射的影响,在2km以内有较高的灵敏度,最小可探测浓度可达到10个颗粒/L,基本上能够满足实际应用中对有机气溶胶颗粒探测的要求.这对荧光雷达系统的搭建提供了有利的指导.     

基于星载激光雷达的AOD与海面风速关系研究

海面上空气溶胶的产生和传输在一定程度上和风有关,研究气溶胶和风速间的关系,对增加大气模式的预测精度有重要意义。文中使用CALIPSO卫星CALIOP激光雷达L2（V3.01）气溶胶层与云层数据,与准同步AQUA卫星的AMSR-E海面风速数据,采用2007年和2008年的1月、4月、7月、10月共8个月的观测数据,研究波长为532 nm的气溶胶光学厚度（AOD）与海面风速间的关系及其随季节、年份的变化。结果显示,无云条件下,全球海洋上空AOD与风速存在关系：当风速在0-12 m/s时,AOD随风速增大而增加,当风速在4-12 m/s时,AOD与风速近似线性关系,当风速>14 m/s时,AOD趋于平稳。     

基于深度学习的机载激光海洋测深海陆波形分类

机载激光雷达的海陆波形分类对于沿海地区及其变化性质的研究至关重要。提出了一种在原始的机载激光雷达回波上使用深度学习进行分类的方法。构建全连接神经网络和一维卷积神经网络（CNN）,在一个测量海域的数据集上进行训练和测试,最优模型获得了99.6%的分类精度。该最优模型对来自不同测量海域的数据进行分类,分类精度达到了95.6%,相比支持向量机方法,处理速度提高了约52%。结果表明:深度学习方法对机载激光雷达回波波形的分类具有较高的精度和速度,它可以进一步作为通过机载激光测深技术对海底种类进行分类的候选方法。     

梯度下降VAD方法的单多普勒激光雷达风场探测技术

速度方位显示（Velocity-Azimuth Display,VAD）方法作为一种基于单部激光雷达和同一高度风场均匀的假设前提来反演风场的通用方法已经在业界得到广泛应用,但其对激光雷达扫描方位角的范围和径向个数的严格要求在一定程度上影响了激光雷达的测量效率。基于此,提出了一种基于梯度下降算法的VAD风场反演方法。使用梯度下降算法代替目前VAD中的傅里叶级数展开求解的方法。在分析了算法收敛性影响因素的基础上,确定了算法迭代步长和迭代次数,从而改善了算法的收敛性,提高了运算速度。与标准风杯风速计（IEC 61400-12-1）的同步对比实验结果显示:该方法在激光雷达扫描范围降低到60和扫描径向个数降低到7个的情况下,10 min平均的风速、风向相关系数达到0.99,风速标准偏差、偏差分别为0.52 m/s和0.02 m/s,风向的标准偏差和偏差分别为5.1和3.6。结果证明了该方法在提高激光雷达测量效率的同时仍能保证其准确性,具有更强的适用性,可有效提升系统对于动态大气风场监测能力。     

便携式边界层气溶胶监测激光雷达

介绍了一种新型边界层气溶胶监测激光雷达的总体结构及各部分的功能,分析讨论了该激光雷达的几何重叠系数测量结果及北京丰台地区的外场实验结果,探讨了大气边界层内气溶胶消光系数与湿度、风速等气象条件的关系,实验结果表明：水平大气气溶胶消光系数与BC质量浓度、地面风速等近地气象因子均有较好的相关性,该雷达性能优越,结果可靠。