相干测风激光雷达功率谱估计硬件系统综述

相干测风激光雷达探测回来的回波信号需要使用FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)进行功率谱估计,在这个过程中离不开硬件系统的参与。在介绍了FFT算法对硬件需求的基础上,对应用于FFT算法的计算机和硬件电路板的研究进展和优缺点进行了分析。结果表明,随着对数据处理的精度以及软件复杂度的提高,计算机存在着无法改变的缺点;随着芯片技术的发展,以Zynq为核心的硬件电路板是最有发展前途的。最后对相干测风激光雷达FFT功率谱估计硬件系统进行了总结与展望。

一种基于多普勒原理的相干测风激光雷达及其外场应用

精确观测大气风场在气象、军事、航空航天等领域具有十分重要的意义。相干测风激光雷达能够实时有效地进行大气矢量风场探测。为此研制出一款基于多普勒原理的相干测风激光雷达,并进行外场观测验证了其性能。该系统可探测垂直上空45~3000m的水平风场以及垂直气流,最大可探测风速为60m/s。分析比对了该雷达于2021年10月16日08:00―20日00:00在广州市黄埔区气象局观测的数据与同时段同地点微波风廓线雷达的观测数据,结果表明二者具有良好的一致性。重点分析了2021年10月18日10:00―20日00:00的典型观测数据,进一步验证了该相干测风激光雷达所测数据的准确性。该雷达在风场探测上的应用将为气象参数监测和预报精度的提高以及极端灾害性天气的预警提供实时数据支撑。

基于相干测风激光雷达数据的南京地区风场特征分析

为了进一步分析南京地区的风场特征,文章利用1.5μm全光纤相干测风激光雷达在南京栖霞沿江地区进行了1年时间的连续观测,通过与附近自动气象站的风场观测数据对比,验证了雷达观测数据的可靠性。基于雷达观测数据,统计分析了南京地区低空风场的分布特征、风速的季节与日变化规律,对南京地区风资源评估具有一定参考性。

相干测风激光雷达探测效能评估研究

为了评估相干测风激光雷达在不同扫描模式下探测效能与气象要素之间的联系,使用2020-08~2021-07期间广汉机场相干测风激光雷达探测数据进行了分析验证。结果表明,方位角测量模式扫描方式下,探测距离在3 km之后,探测效能线性下降,90°扫描时,500 m后探测效能开始线性下降;总体探测效能在11月最高,7月最低;11月至次年7月呈下降趋势,7~11月呈上升趋势;在日落后至日出前的探测效能较低,在午间探测效能最高;夏秋季节,激光雷达探测效能与PM 2.5质量浓度呈现正相关,与降雨量的对数呈负相关。该研究为机场激光雷达识别低空风切变准确度提供了重要的基础保障。

利用双通道激光雷达验证低信噪比反演算法

针对相干测风激光雷达(LiDAR)在低信噪比(SNR)下反演算法的可靠性和精度难以验证的问题,搭建了一种双通道的脉冲相干测风LiDAR系统,可以同时获取高、低SNR的2组数据,并使用高SNR通道的结果作为真值,比较利用不同的算法在低SNR通道进行矢量风速估计的结果。该系统避免了使用其他观测设备作为真值时难以配准或观测目标不统一的问题。本文研究利用雷达获取的观测结果验证了各个算法的有效性,并在各个算法间进行了横向对比。最终,依据各个算法的性能表现和计算复杂度,指明了各个算法具有优势的使用场景。该结果对于充分利用现有系统、使用新算法提高低SNR下的数据获取效率,或在指定探测指标的前提下降低激光能量等硬件要求、实现系统小型化有一定意义。

相干多普勒测风激光雷达

鉴于多普勒测风激光雷达在航空航天、遥感遥测、气象观测等军事及民用领域中的广泛应用,结合相干探测工作原理,介绍了国外几种典型波段相干多普勒测风激光雷达系统,重点分析了激光发射机/接收机、空间扫描、数据处理等关键技术,并对相干多普勒激光雷达的广阔应用前景进行了展望。指出国内相干多普勒测风激光雷达研究已取得的一些重要进展。

相干测风激光雷达望远镜孔径及截断因子的优化分析

基于相干多普勒测风激光雷达外差探测理论,给出自由空间和光纤耦合两种模式下外差效率的解析表达式,并通过参数替换使两者具有统一的形式;结合此表达式以及湍流环境下的信噪比公式,仿真给出了地基及星载相干测风激光雷达系统不同探测距离处的最优望远镜和截断因子。研究结果表明地基系统信噪比随着望远镜孔径变化比较陡峭,存在最优望远镜孔径和截断因子,如若取值不恰当,会造成系统信噪比巨大损失;而星载平台下回波信号的信噪比随着望远镜孔径先增加后保持平稳,望远镜孔径可以综合成本和信噪比进行合理取值,最优化的截断因子为80%。此研究对相干多普勒测风激光雷达探测理论的发展及系统器件的最优化配置提供了重要的理论依据。

相干多普勒测风激光雷达外差效率的数值计算与分析

论述了相干多普勒测风激光雷达外差效率的基本理论.对同轴系统中本振光和发射激光均是截断高斯光束情况下的外差效率进行了研究,利用圆孔光阑函数展开为高斯函数相叠加的方法,给出外差效率的解析表达式;采用计算机软件Mathematica分析外差效率随菲涅尔数和截断因子的变化关系,给出最大外差效率随着菲涅尔数的变化曲线和不同菲涅尔数下最佳截断因子的取值.该研究为相干多普勒测风激光雷达探测理论的发展及系统器件的最优化配置提供了重要的理论依据.

2μm星载相干测风激光雷达风速及风向误差建模与分析

基于全微分和统计理论推导了星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差的解析表达式,利用克拉默-拉奥误差下界代替Frehlich经验公式对风场的随机风速误差进行评估,建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型.在NASA/NOAA提出的星载测风激光雷达系统设计指标框架下,对风速及风向误差模型进行可行性分析,得到了总的径向随机误差随着探测距离的变化关系及水平风速区间的选取对随机误差的影响.同时,为了计算合成采样误差,改变不同的垂直分辨率和方向角取值,对水平分量的采样误差进行对比分析.仿真结果表明,合成的水平风速和风向的误差范围为0.8~3.2 m/s和2.38°~3.49°,基本符合星载测风激光雷达的相关指标要求.

相干多普勒测风激光雷达研究

研制了一套用于大气风速测量的1.064μm全固态相干激光雷达系统。该系统采用种子注入Nd:YAG脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为0.5 mJ,脉冲宽度(FwHM)为80 ns。利用40 m处的转轮进行了硬靶速度校正实验(速度测量误差的方差为0.23 m/s),并对大气视向风速进行了测量(探测距离可到达400 m)。在对系统进行初步优化后,获得了30～870 m的视向风速分布曲线。

相干测风激光雷达中多核DSP并行风速反演算法的实现

针对高重复频率相干测风激光雷达中风速反演时数据量大、计算量大、实时性要求高等问题提出了基于多核数字信号处理器(DSP)的并行风速反演算法。该算法的核心思想是,利用高速数据处理板卡DSPC-8681上的4颗8核DSP处理器采用单指令多数据流的方式进行并行计算和同步,使用最大似然离散谱峰值计算出视向风速。在激光脉冲重复频率为10 k Hz的条件下实现了相干测风激光雷达中实时的风速反演。通过实验验证,激光雷达的视向探测距离达到3 600 m,距离分辨率为60 m,风速测量范围为±30 m/s,时间分辨率为1s,转动圆盘校准的速度测量精度优于0.48 m/s。

2μm相干测风激光雷达研究

2μm波长处在人眼的安全波段，2μm激光雷达，尤其是2μm测风激光雷达的研制具有重要的现实意义。文章描述了2μm相干测风激光雷达的基本原理、系统的组成及具有的功能，同时对相干探测技术、相干光路、相干探测效率、白适应光学系统、快速光束扫描及高稳频本振激光器技术等几个影响相干激光雷达探测性能的关键技术进行了综述，为具体的工程应用提供了依据。

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%。

联合时频分析在相干测风激光雷达中的应用

相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点,已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号,对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果,自适应最优核时频分布具有运算量小,交叉项抑制效果好,时频聚集度高等优点。最后,使用1.5μm相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测,将自适应最优核时频分布应用于实测数据,与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明:自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息,3 km内距离分辨率为1.2 m,3 km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性,时间分辨率为1 s时其最远水平探测范围约在6 km。

CALIOP数据在星载相干多普勒测风激光雷达性能仿真中的应用

利用2007—2008年21个月CALIOP测量的夜间气溶胶后向散射系数的全球三维平均分布数据取代传统仿真中的气溶胶模型数据,对晴空条件下的2.1μm相干多普勒测风激光雷达的测风性能进行了计算机仿真研究。仿真结果表明,采用合理的系统参数设计,在20°S至40°N之间4.5km海拔之下单激光脉冲的径向风速误差普遍小于1m/s。以1m/s作为可接受风速误差的标准,符合标准的最大可测量海拔高度向两极方向递减,在南极附近减至1~2km。若10个激光脉冲平均测量,在对流层下层风速误差可降至0.5m/s以内,且在35°N附近最大可测量海拔高度可达5.5km。

基于相干多普勒激光雷达的风雨同时探测

多普勒测风激光雷达是一种有效的具有高时空分辨率的遥感测风仪器。然而,由于雨滴反射的干扰信号,在雨天条件下进行精确的风廓线测量是一个挑战,但是这也为探测降雨提供了一种可能。在这项工作中,一台垂直指向的1.5μm全光纤相干多普勒激光雷达被应用于风和雨的同时探测。由于相干多普勒激光雷达能够进行精确的频谱测量,因此在下雨天,它可以同时检测到气溶胶和雨滴的回波信号。具有速度差异的气溶胶和雨滴的回波信号会导致多普勒频谱出现两个峰值,从而可以根据频谱宽度来识别降雨事件。通过双高斯模型拟合多普勒频谱,可以获得两个速度,分别为风速和雨速。与微雨雷达结果的对比验证了多普勒激光雷达探测降雨的能力,同时也降低了多普勒激光雷达在雨天条件下风速的错误探测概率。

相干多普勒测风激光雷达反演厦门市风场及边界层高度的可靠性分析

利用2019年11月5日至12月13日厦门国家高空气象观测站的无线电探空仪数据和同期布设的多普勒测风激光雷达资料,对比分析二者的风速风向和通过梯度法反演的边界层高度。结果表明:(1)风速和风向的决定系数R^(2)分别达到0.91和0.98,一致性良好,450~1300 m高度范围内,对比效果最佳;(2)利用探空数据的温度廓线和测风激光雷达的雷达回波强度信号通过梯度法分别反演边界层高度,二者一致性很高,只是在边界层出现急流、云层和明显的污染等复杂情况时,探空数据反演的结果会明显大于测风激光雷达;(3)在出现降雨时,雷达探测高度明显降低,无法有效反演边界层高度。测风激光雷达不仅可以满足边界层内风场的精细化连续探测,也可以反演边界层高度。

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。

基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

大气湍流广泛存在于大气中,其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据,另一方面基于Kolmogorov局地均匀各项同性理论,即在惯性子区内湍流的特征只与湍能耗散率ε有关,将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中,通过实测数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合,从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数(径向风速方差、湍流积分尺度和ε等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征,给出大气湍流参数的斜程空间分布图,并与同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析,发现两者具有较好的一致性,证实了斜程湍流参数反演方法的可靠性。

多普勒测风激光雷达研究进展

简述了多普勒测风激光雷达测风的意义,报道了多普勒测风激光雷达的发展动态。综合该领域的发展情况,按探测方式的不同,分相干技术和直接探测技术分别讨论了测风激光雷达的应用及其特点,比较了各种系统的性能。