瑞利多普勒激光雷达F-P标准具的设计与校准分析

为了精确观测平流层风场,采用F-P标准具作为瑞利散射测风激光雷达多普勒频率检测的核心器件,对F-P标准具多普勒频率检测原理进行了理论分析,从分析最大设计高度时的测量误差着手,优化选取标准具透过率曲线参量;介绍了透过率曲线参量的校准过程和校准方法,分析了导致透过率曲线的半峰全宽增大的原因、透过率曲线校准精度对速度灵敏度及系统探测误差的影响;并通过实验对设计和校准结果进行了验证。结果表明,由于透过率曲线的半峰全宽增大,导致速度灵敏度下降了0.118%/（m·s-1）;40km高度处,在测量信噪比大于10的条件下,径向速度测量精度增大2m/s。     

直接探测多普勒激光雷达的光束扫描和风场测量

介绍了直接探测多普勒激光雷达的系统结构和主要参数，给出了该系统进行大气风场测量的光束扫描方法，详细推导了三维风场的计算公式，给出了其风速和风向误差的求解方法。在径向风速均为1 m/s和扫描角度误差均为1°的情况下，水平风速和风向的误差分别为1.155 m/s和0.707°。给出了合肥地区对流层风场的测量结果，结果表明，采用该方法测量大气风场是切实可行的。     

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.     

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。     

基于修正VAD技术的非线性风场反演方法研究

对流风暴的新生和发展演变与三维风场存在密切联系,多普勒天气雷达可利用多普勒效应测量径向速度,可及时地反映风场信息。基于线性风场假设和全方位均匀采样的速度方位显示（VAD）技术是目前应用最广泛的使用单部多普勒雷达反演风场的方法,然而对于台风、龙卷等强对流天气系统,其内部风场空间分布复杂,线性风场假设不成立,以及由于机动平台非理想运动无法保证等方位间隔的均匀采样,导致反演精度不高。本文提出了一种基于修正VAD技术的非线性风场反演方法,建立了机动平台下视圆锥扫描几何模型以及复杂风场的非线性空间分布模型,相对于传统VAD技术,该方法更能反映真实的复杂风场结构,具有更好的反演效果。      

多普勒激光雷达风场反演研究进展

多普勒激光雷达因高精度测量、高空分辨率等特点对晴空天气的风场探测具有重要应用价值,但多普勒激光雷达只能获取径向风速,必需进行风场反演。介绍了单部和多部多普勒激光雷达的风场反演技术的国内外进展及优缺点,其风场反演算法主要在微波雷达的基础上进行优化和创新。结果表明,单部多普勒激光雷达中变分方法是最有前途的方法;早期多部雷达普遍存在同一性的问题,对多部多普勒激光雷达也没有提出更有效的方法,变分方法的提出使得单部雷达和多部雷达不再有根本的区别,同化方法成为今后的研究重点(典型方法是变分同化)。     

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。     

基于多普勒激光雷达低空风切变的数值仿真

多普勒激光雷达是目前在晴空条件下对低空风切变最有效的一种探测手段。完成了基于多普勒激光雷达探测所需的微下击暴流、侧风切变和低空急流等三维变化风场的数值仿真,仿真结果得到了各种风场的基本特征。依据多普勒激光雷达的波束扫描方式,选取雷达扫描仰角为5°,扫描半径为8 km,雷达径向步长为100 m来扫描仿真风场,最后得到雷达探测变化风场的仿真径向数据。这对于深入理解风切变的产生机理以及实现由激光雷达对风切变的探测、识别和预报等后续研究具有重要意义。仿真过程建立的变化风场模型简单,模型参数变化灵活、方便实用。     

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。     

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。     

中国首台米氏散射多普勒测风激光雷达研制成功

中国首台米氏散射多普勒测风激光雷达在合肥研制成功，并于10月底正式通过专家鉴定。作为大气科学研究中一种新的遥感探测工具，测风激光雷达实现了高分辨率的大气风场遥感探测。据了解，精确的大气风场资料可以极大地提高数值天气预报、长期气候预报的准确性。但是传统的气象观测手段很难给出立体的大气风场信息，尤其在航空领域低空风切变检测的难题难以解决，往往导致空难事故发生。     

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。     

相干多普勒激光测风雷达系统研究及验证

介绍了相干多普勒激光测风雷达国内外现状,阐述了其基本原理,给出了风速矢量反演计算过程,并对相干多普勒激光测风雷达系统方案进行了分析,利用标校塔以及超声波测风仪等设备进行了风场测量验证实验,获得了80~600m处的风场信息,验证了测风系统的设计指标。     

单多普勒激光雷达机场小尺度风场反演研究

基于机场上空小尺度风场结构特点以及单多普勒激光雷达测风原理,本文在现有气象雷达三维风场反演的VVP方法的基础上,提出一种基于三维风场在分析体积内均匀分布假设的几何反演算法。此方法对单多普勒激光雷达测得的径向速度进行处理,实现对机场上空实际风速大小及其角度的反演,进而对风切变等灾害性天气完成探测。通过反演数据与原始数据进行比较,分析反演误差,结果表明几何方法能够较好的反映小尺度风场变化趋势。     

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.     

激光测风雷达VAD反演方法的数值优化

为了提高多普勒激光测风雷达反演风场的速度和精度,采用Newton-Gaussian最小二乘优化方法对风场反演模型进行数值求解,并对Newton-Gaussian法的步长和初值进行讨论和调整,使得此算法的鲁棒性更强,同时也降低了传统速度方位显示反演方法中固有缺陷的影响.将其应用到研制的全光纤多普勒激光测风雷达系统中,实现了对低中空局部风场的反演.结果表明,该算法不但提高了风场反演的速度和精度,而且反演结果更稳定,适合实时计算.     

60 km瑞利多普勒激光雷达及其风场探测

临近空间风场的探测,在大气动力学研究和提高数值天气预报的准确性,以及航空航天保障等方面具有重要意义。研制基于瑞利散射双边缘技术的60 km多普勒激光雷达用于临近空间大气风场的测量。激光雷达主要分为垂直指向测量系统和两台斜指向测量系统。工作波长355 nm,探测距离15~60 km。为验证系统的可靠性和积累风场观测数据,于2014年下半年进行了外场实验,并与当地的探空气球数据进行对比,结果显示60 km瑞利多普勒激光雷达风场测量数据与探孔气球数据具有良好的一致性。     

瑞利测风激光雷达接收机校准

介绍了直接探测瑞利测风激光雷达工作及风速反演的原理,说明了激光雷达接收机的内部结构及工作情况。为修正雷达接收机中分光片分束比、单光子计数器探测率等参数与设计值的偏差所导致的风速测量误差,提出了随光强变化比较两信号通道的计数值的接收机校准方案。实验测得了校准系数随信号通道信号强度的变化关系。在弱光下该系统两信号通道性能差异小于25%。在当前系统的标准具透过率条件和对称的风场扫描合成方式下,接收机校准只对系统透过率曲线和径向风速的测量有较大影响,对合成风场没有影响。     

转管武器加速度参数测试系统的冲击校准法

针对转管武器加速度参数测试系统在承受高g值冲击后灵敏度方面会发生一定改变的问题,提出了一种基于Hopkinson杆和激光多普勒干涉仪的冲击校准方法。该方法利用Hopkinson杆对测试系统进行加速度信号加载,采用激光多普勒干涉仪进行校准,实现了校准系统对冲击加速度的绝对复现。实验结果表明,这种校准方法可以很好地完成转管武器加速度参数测试系统的校准,相对误差满足测试灵敏度要求。     

无人机载多普勒激光雷达海上风场观测及数据处理

介绍了中国海洋大学激光雷达团队的小型化机载多普勒激光雷达系统研制工作、机载运动状态下的姿态及速度校正算法和海上风场反演方法。分析了2016年在广东省海陵岛近岸海域开展的国内首次无人直升机载激光雷达海上风场观测实验的数据,并与陆基多普勒激光雷达观测结果进行了比对,验证了系统的工作性能及数据反演算法的有效性。实验结果表明,机载多普勒激光雷达系统运动状态下的观测数据与陆基激光雷达观测数据相关性较好,系统可搭载于小型无人机平台,有效实现海上风场的快速精确观测。