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.     

Levenberg-Marquardt算法在测风激光雷达中的应用

分析了直接探测测风激光雷达中的Fabry-Perot标准具透过率的非线性理论模型。根据实验测量数据，利用Levenberg-Marquardt算法对理论模型进行参数优化估值，获得测量数据的最佳拟合曲线。数值计算表明，pseudo-Voigt函数能快速且很好地近似计算Voigt线形。对于Fabry-Perot标准具的宽带光透过率频谱响应曲线，可以采用Voigt函数拟合,也可以采用pseudo-Voigt函数拟合；当透过率频谱响应曲线用于风速反演时，若采用pseudo-Voigt函数拟合会造成低于1 m/s的测速偏差，因此必须采用Voigt函数拟合。     

基于菲佐干涉仪的星载测风激光雷达仿真模拟

星载测风激光雷达具有高精度、高垂直分辨率、全球覆盖等特点,是获取全球风场的有效手段。聚焦于米散射通道测风模式,对冰云与气溶胶同时存在的较复杂场景实施星载激光雷达测风的仿真模拟。基于菲佐干涉仪的测风原理构建了一套包含6个子模块的正演模型,以大气激光多普勒雷达（ALADIN）仪器参数作为输入值,模拟了典型场景下的探测信号,并结合反演分析了测风精度水平。结果发现,云层和气溶胶的回波能够增强探测器获取信号的信噪比,从而提升反演精度,将风速误差控制在±1.2 m/s范围内;但当云层冰水含量较大时,由于衰减作用使得云层下方信噪比削弱,从而增大反演风速误差,部分区域甚至无法实施有效探测。另外,在采用重心法反演风速时,可通过增加累积电荷耦合器件（ACCD）探测器通道数来减小风速振荡误差。上述研究可为设计和改进星载测风技术提供参考。     

直接测风激光雷达频率跟踪技术及对流层平流层大气风场观测

为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场,搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理,使用转台式探测结构,通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪,确保测风的精度。实验结果表明,该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好,频率跟踪的范围为±50 MHz,可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测,在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后,随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km,夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比,风速误差均小于10 m/s,其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%,探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致,误差范围在10°～20°之间,在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析,结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。     

基于菲索干涉仪的边界层测风激光雷达研究

分析了多光束菲索( Fizeau)干涉仪的光学特性,以及影响干涉光谱性能的参数,并研 究了激光雷达系统接收信号能力,提出了一套基于Fizeau干涉仪和CCD探测器的边界层测风激光雷达系统。利用标准大气参数和切合实际的激光雷达系统参数,对干涉仪进行优化设计模拟计算,得到了合理的参数,满足边界层1m / s风速测量精度要求。     

瑞利多普勒激光雷达频率响应函数的研究

概述了瑞利多普勒测风激光雷达的基本工作原理,讨论和分析了基于F-P标准具双边缘鉴频技术的测量精度,在窄带实验光源和宽带发射光源入射下,分别测量了鉴频器的透过率曲线,并比较了两种光源入射下由于频率响应函数引起的系统误差。结果表明:瑞利测风激光雷达的频率响应函数满足设计要求,在-100~100 m/s的径向风速动态范围内,系统误差随径向风速的增大而增大,宽带光源测量时,由频率响应函数引起的系统误差在0.74~1.38 m/s之间;窄带光源测量时,由频率响应函数引起的系统误差在0.75~0.84m/s之间。窄带光源较宽带光源测量时,系统误差降低了0~0.48m/s。     

1.06μm直接接收米散射测风激光雷达的性能分析

介绍了基于Fabry2Perot 标准具的直接接收米散射1064nm 测风激光雷达的工作原理, 设计了利用该原理进行风场测量的激光雷达,并估算了该系统的设计性能,进行了系统测量误差分析,结果表明:高度在10km 内和风速测量的动态范围内的误差小于2m/ s ,测量精度随径向测量速度的增大而下降,在低对流层的测量精度、分辨率和测量时间在目前的系统参数条件下还可以提高。     

相干测风激光雷达VAD风场反演的数据质量控制方法

相干测风激光雷达扫描测量模式下使用速度方位显示（VAD）方法反演水平风场时,若不进行质量控制,会使拟合数据精度大幅降低。基于最小二乘VAD拟合算法,通过分析相干测风激光雷达扫描测量模式中的多种误差源,设置了信噪比、数据残差、扫描区间有效数据、数据有效率四个判据对参与拟合的数据质量进行控制,进而提出了基于以上判据的VAD逐级拟合质量控制方案,设计了数据质量控制流程,并对该方法进行了实验验证。通过对2 955组10 min平均激光雷达测风数据与高精度风杯数据进行对比分析,结果表明:经VAD逐级拟合质量控制流程后,风速均方根偏差从0.97 m/s降低到0.54 m/s,比对偏差降低约44%,风向均方根偏差从7.47降低到5.55,比对偏差降低约26%。     

用于风力发电机偏航控制的激光测风系统设计与试验

为实现风力发电机迎风信息的精确测量,采用连续波相干探测技术,设计了针对风力发电机偏航控制需求的激光测风系统。该系统的扫描装置中由直驱电机带动15°顶角楔形镜旋转实现激光对大气的圆锥扫描,设置扫描一圈用时为15 s,每圈采样点数为30个,利用正弦拟合方法反演风力发电机前方的风场信息。将激光测风系统安装在深圳市气象观测梯度塔下,与塔上超声波风速仪进行了对比测风试验。经过数据分析,水平风速相关系数达0.98,标准差为0.22 m/s,风向相关系数达0.97,标准差为3.04°,表明所设计的激光测风系统性能优良,工作稳定可靠,能够为风力发电机提供精确风场参数,提高风能的利用效率。