1.55μm全光纤多普勒测风雷达系统与试验

为实现对大气风场三维信息快速、准确的测量,以人眼安全波长1.55μm窄线宽光纤激光器为光源,采用全光纤相干探测光路,研制出多普勒测风雷达系统。该雷达整机结构紧凑、体积小、测量精度高,并在原VAD反演方法的基础上,采用了一种遗传算法与非线性最小二乘相结合的改进算法来实现对风场的反演,使其具有更高的数据失真修正能力,风场反演的速度、精度均得到较大提高。试验结果表明,该雷达能实现5-200m高度范围内的风场测量。并在试验基地与测风塔内,分别就55m及100 m高度处与超声波风速仪进行了试验比对,试验结果显示：该测风雷达的风速测量精度（均方差）达到0.3m/s,风向精度（均方差）≤3°。

机载激光多普勒测风雷达技术及其应用

为了加快发展我国机载测风雷达技术,对机载激光多普勒测风雷达的研究及应用情况进行了介绍,对机载激光多普勒测风雷达的基本工作原理、系统组成、应用方式及领域等进行了分析,并对光纤激光器在机载雷达系统中的应用进行了预测。结果表明,采用全光纤相干结构的机载测风雷达具有测量精度高、结果稳定可靠、响应速度快、系统结构紧凑、环境适应能力强、适合多种工作平台等特点,可广泛应用于各型大型飞机提供下视高度详尽的大气风场气象参量,以保障空投空掷作业的准确性与安全性;另外还可以为飞机飞行提供前方航道大气湍流及横切风的预测,保障飞行安全等。

多普勒测风雷达研究进展

大气激光多普勒设备(ALADIN)作为大气动态任务——风神计划的有效载荷,可以提供全球风场的直接测量。它能够提供与卫星速度矢量垂直的风速成分。该设备是工作在紫外波段的多普勒雷达,将是首例太空中的该类雷达。ALADIN由高能激光器和能够同时接收气溶胶和大气分子后向散射的直接探测接收器组成。激光器是基于Nd:YAG和高功率激光二极管技术的固体激光器,探测器是具备光子计数性能的硅CCD。1.5m口径望远镜采用轻量化的SiC材料。ALADIN系统正处于在轨飞行模式测试集成阶段,许多子系统已经集成完毕,载荷性能和资格测试即将开始。本文简要描述该设备的设计和目前为止所处的发展状态及取得成果,这些关系到接收器性能、望远镜的发展和激光器面临的挑战。

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(Ⅱ):基于Fabry-Perot标准具的Rayleigh通道大气风速反演研究

基于星载激光多普勒测风雷达工作原理,构建了基于连续双通道Fabry-Perot(F-P)标准具的鉴频仿真系统,仿真研究了Rayleigh通道大气风速反演算法,系统分析了Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号对Rayleigh通道反演大气视线(LOS)风速的影响,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Rayleigh通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.结果表明,基于连续双通道F-P标准具的Rayleigh通道可反演中高层大气风速;Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号影响Rayleigh通道LOS风速反演精度;Rayleigh通道风速反演对温度精度要求最高,在晴空条件下可忽略Mie干扰信号的影响;不考虑Brillouin效应时,高度2 km以下Rayleigh通道无法反演HLOS风速,高度2 km以上Rayleigh通道反演的HLOS风速误差小于0.4 m·s-1,风速标准差在1—4 m·s-1之间;同Mie通道一样,气溶胶和云的分布影响Rayleigh通道HLOS风速反演误差.研究结果对发展星载激光雷达测风技术具有重要参考意义.

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(I):基于Fizeau干涉仪的Mie通道大气风速反演研究

研究了星载激光多普勒测风雷达系统结构,构建了基于Fizeau干涉仪的鉴频仿真系统,仿真研究了Mie通道风速反演算法,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Mie通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.仿真和统计结果表明,基于Fizeau干涉仪的Mie通道可反演低对流层大气风速;低对流层HLOS风速误差和标准差分别小于1 m·s-1和2 m·s-1;气溶胶和云的分布影响星载激光多普勒雷达测风误差,可使风速最大偏差增大一倍.

多普勒激光测风雷达及风廓线雷达探测能力分析

本文就激光测风雷达和风廓线雷达的应用进行了实例分析,认为两者各有其独特的性能优势和应用场景。在实际应用中,可以根据需要选择合适的雷达系统,以提高气象探测的准确性和效率。

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。

新型多普勒测风激光雷达Windcube的风参数观测与验证

2007年12月11～14日,中国科学院大气物理研究所与法国Leosphere公司在该研究所位于北京市北三环和北四环之间的325m气象塔试验场内联合开展了一次测风激光雷达Windcube的外场演示试验。Wind-cube观测数据随后与325m气象塔上的风杯风速仪测得的风速资料进行了对比,结果是:由两种手段获得的所有6层匹配高度(63m、80m、100m、120m、160m和200m)上的10min风速平均值一致性很好,相关系数都达到或超过0.98。使用矢量法对6层高度上的风向资料进行平均,得到风向的10min平均值,两者的相关系数均达到0.99。与国产测量低层大气风廓线的高精度多普勒激光雷达相比,Windcube的风速测量精度稍优,风向表现相当。验证结果表明,该型多普勒测风激光雷达是一款观测结果可靠、机动性能良好的低层大气风廓线测量仪器。

基于斐索干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达

提出结合多光束斐索 (Fizeau)干涉仪和CCD探测器的条纹图像技术 ,测量地球边界层下的三维风场的直接探测多普勒激光雷达技术。在分析Fizeau干涉仪的物理特性和光谱特性以及影响测量多普勒频移的因数和改进方法的基础上 ,提出一套切合实际的直接探测多普勒激光雷达系统参数。并利用该参数进行性能评估分析 ,模拟不同干涉仪参数对风速精度的影响 ,得出一个优化的干涉仪物理参数。模拟结果显示 ,系统可以获得小于1ms- 1 的水平风速精度。这些分析 ,为建立实际的激光雷达系统提供设计依据。

光谱稳定性对直接探测多普勒测风激光雷达的影响研究

从种子注入固体激光器的不稳定和多普勒频移检测干涉仪的光谱漂移出发,模拟和分析其对基于双边缘探测技术的直接探测多普勒激光雷达风速测量准确度的影响.模拟结果显示,在5 min积分时间的30 000个脉冲内,如果达到风速准确度1 m/s,要求激光器出现多纵模的脉冲不能超过总脉冲个数的0.06%.在干涉仪光谱稳定方面,使用两级温控可以将干涉仪温度控制在±0.002℃,对应风速误差为±0.226 m/s.同时提出通过监视种子注入过程中的脉冲建立时间和干涉仪温度,可以在数据反演时,消除激光频率跳动和干涉仪光谱漂移对风速测量准确度的影响.

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.

多普勒测风激光雷达三波束反演方法与实验

为研究激光测风技术中五波束和三波束风廓线反演方法的异同,采用波长1.5μm的相干多普勒测风激光雷达在中国海洋大学崂山校区进行风场测量。利用三波束风廓线反演法对13 d的多普勒激光雷达观测数据进行计算,设定信噪比和数据获取率门限阈值,对数据质量进行控制,将计算结果与五波束风廓线反演法的计算结果进行比对分析。与五波束风廓线反演法相比,三波束风廓线反演法仅用三个方向的径向数据反演风廓线,可缩短观测时间跨度,从而提高数据刷新率,在气流不稳定的情况下可获取更多的风场特征参数。比对结果表明,两种风廓线反演法的计算结果在不同高度上均表现出良好的一致性。90 m测量高度处的风速决定系数为0.9825,风向决定系数为0.9769;随着湍流强度增大,两种风廓线反演法之间的差异呈增大趋势。

车载多普勒测风激光雷达系统的隔振设计

为了防止车载多普勒测风激光雷达运动过程中振动对系统的不良影响,保证系统测量的稳定性和精度,对车载测风激光雷达中的机柜和光学平台进行隔振设计。选用IDC公司SB型和M型金属钢丝绳隔振器分别作为机柜和光学平台的隔振器并合理布置,通过计算可得峰值响应频率都小于干扰频率,冲击位移小于隔振器最大形变量,通过隔振效率和干扰频率的关系曲线图发现隔振效率达80%以上。最后,通过隔振前后激光雷达锁频实验效果对比可以看出隔振系统安装后锁频效果有了显著提升,通过运动中测量的1 km高度径向风速正弦曲线拟合进一步验证了在运动测量中隔振设计的可靠性。

基于多普勒测风激光雷达的锁频系统与激光测速系统的设计与实现

在非相干多普勒测风激光雷达系统中,激光的线宽与频率的稳定性是影响测量结果准确性的两个重要因素。研制的激光雷达系统采用种子注入方法产生窄线宽脉冲激光,采用碘分子饱和吸收稳频的方法,利用VB语言基于PID算法编写仪器控制程序,将种子激光器的频率锁定在碘分子吸收线1 109线的高波数边缘上,长时间(>4 h)锁频的精度≤0.5 MHz,频率的长期稳定度为3.55×10-9。设计了连续光测速系统,得出多普勒频移测得的实验值与实际斩波盘的速度值曲线,速度误差小于0.4 m/s。由此也说明,所设计的连续光测速系统可以对整个锁频系统进行校准。该实验也为测风激光雷达的建设提供指导意义。

机载多普勒激光测风雷达风场反演研究

中国科学院上海光学精密机械研究所研制出机载全固态多普勒激光测风雷达,并成功进行了试验飞行。本文介绍了机载多普勒激光测风雷达的基本参数和探测三维风场的工作原理,并对利用激光回波信号和机载辅助数据反演三维风场的详细算法进行了研究,获得了3 000 m以下高度具有较高精度的三维风场,同时用经纬仪气球测风法进行了对比验证实验,验证了机载多普勒激光测风雷达测量数据的准确性。

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。

深圳地区多普勒测风激光雷达的湍流观测

激光雷达可以快速实现对大气风场的非侵入测量,获得精确三维风矢量。为验证测风激光雷达观测湍流的可行性并获得湍流观测特征,利用相干多普勒激光雷达在深圳杨梅坑进行湍流观测实验。依据Reynolds分解原理,应用小波分解获取湍流脉动并分析大气的湍流运动特征。结果表明:观测地日平均湍流强度呈现“单峰单谷”结构,与实验期间气温的变化呈现较高相关性;湍流动能引起垂直方向上的输送主要集中在日间12:00后,与湍流耗散率的相关系数达0.77;湍流功率谱密度在惯性副区内基本符合Kolmogorov“-5/3”定律。研究结果验证了测风激光雷达可以较为精确地估算湍流参数。

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。

基于Fizeau干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达研究

回顾了基于Fizeau干涉仪的多普勒测风激光雷达的基本原理,在对测风雷达的主要参数说明的基础上,分析了多通道探测器的选择以及由于干涉仪圆形口径引起的通道间的能量修正系数问题,最后对基于Fizeau干涉仪多普勒测风激光雷达雷达系统的风速测量误差进行了数值模拟.结果显示,研制中的基于Fizeau干涉仪的多普勒测风激光雷达系统在5 km以下范围内,风速测量误差可以达到0.56 m/s(30s积分实际时间).

多普勒激光雷达监测的夏秋福建沿海风机典型高度上的风能变化特征

风电可以弥补我国东南沿海经济重心能源供应不足,但随着风机高度不断突破,传统的测风手段已无法满足监测需求。为此,采用布设在福建三沙沿海和内陆两个观测点的多普勒测风激光雷达,针对2020年8~11月100~200米典型风机高度上湍流强度、风功率密度分布情况进行精细化对比分析。结果表明:无论是沿海还是内陆监测点,随着垂直高度的上升,湍流强度逐渐减小而风功率密度逐步增大;从日变化来看,在103.9 m、155.9 m、207.8 m垂直高度上,日出前湍流强度最大,风功率密度最小。在这三个高度上,沿海区域的湍流强度最大值分别为0.178、0.154、0.133,风功率密度最小值分别为138.463 W/m2、175.860 W/m2、186.455 W/m2,而内陆区域的湍流强度最大值分别为0.180、0.144、0.121,风功率密度最小值分别为145.835 W/m2、184.868 W/m2、196.712 W/m2。日落后的湍流强度最弱,风功率密度达到最大,沿海区域的湍流强度的最小值分别为0.106、0.088、0.075,风功率密度最大值分别为259.219 W/m2、299.590 W/m2、322.200 W/m2。内陆区域的湍流强度最小值分别为0.116、0.086、0.074,风功率密度最大值分别为254.318 W/m2、303.084 W/m2、328.150 W/m2。从风资源的月际变化看,8、9月份风功率密度为100 W/m2左右;10、11月份风能资源丰富,11月份的平均风功率密度可达到800 W/m2左右。