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.

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。

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。

一种基于星载遥感的碳通量直接测量方法

目前全球尺度碳通量监测主要通过地基原位CO_(2)通量与浓度测量,结合星载遥感CO_(2)浓度等数据源,经过一系列的同化算法加以实现。考虑到原位测量覆盖范围有限,提出一种基于星载遥感的碳通量直接测量方法。基于湍流一阶闭合理论,采用水平风廓线-CO_(2)浓度廓线双廓线模型,结合莫宁-奥布霍夫相似理论实现对CO_(2)通量的直接测量。其中水平风廓线通过双视向激光雷达采用多普勒相干测风反演得到,CO_(2)浓度廓线则基于激光雷达的差分吸收原理进行探测。基于星载激光雷达的双廓线探测方案目前可达1 m/s的测风精度和10-6的CO_(2)浓度探测精度。通过廓线模型初步分析发现:在较强碳源(例如近地面CO_(2)浓度差>10-5)的下垫面及中性大气条件下可满足目前科学应用对通量数据的精度需求,即实现25%以内的CO_(2)通量测量的不确定度。该方法总体上可提供大尺度碳通量观测数据,作为地基CO_(2)通量测量的有益补充。

相干多普勒测风激光雷达时域信号仿真及时频分析

基于大气分层时域信号生成模型(feuilletémodel)进行非平稳信号的仿真。引入时-频域联合分析方法反演风速,对非平稳风速模型下的仿真回波信号进行算法处理研究。基于实际系统参数,分别在线性剪切风速和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真回波信号。对仿真信号作Wigner-Ville变换,通过分析信号时频变换后的能量峰值在时频面内的分布来反演风速。采用多组脉冲累加平均的方式来减少因散斑噪声、交叉项等因素造成的反演风速的波动。结果表明,利用时-频域联合分析方法可以快速反演出风速信息,无需对探测范围进行距离门的划分;对多组信号的时频变换结果做累加平均处理后,反演风速的波动减小,与输入风速的一致性得到了明显的改善。

基于遗传算法的相干多普勒测风激光雷达风场反演方法

提出了一种基于遗传算法进行频谱估计的相干多普勒测风激光雷达三维风场反演方法。该方法无需对视向风速进行计算,可以直接从多方位频谱密度中提取三维风场信息,能够提高弱信噪比情况下的数据反演精度。采用的遗传算法为针对相干激光雷达改进的遗传算法,能够准确、快速、并行地反演出风矢量解。对算法进行了仿真,结果显示,改进后的遗传算法在收敛速度以及全局寻优能力方面相对于传统遗传算法都有着明显提升,并且在低信噪比信号仿真对比中,此方法风场反演结果优于传统非线性最小二乘法反演结果。将该方法应用于实际雷达系统中,在激光雷达与探空气球实测数据对比中,两者水平风速均方根误差小于0.7m/s,水平风向标准偏差小于6°,这些结果验证了风场反演结果的精确性。将采用所提方法得到的结果与实测数据最小二乘法风场反演结果进行对比,发现在当时的大气条件下,频谱估计法约有12.3%的探测距离的增大。仿真和实测数据对比结果充分证明了此方法反演三维风场的能力和有效性。

多源新型探测资料在一次强对流天气中的应用

基于FY-4A卫星、微波辐射计、风廓线雷达、相干多普勒测风激光雷达和毫米波云雷达获得的高时空分辨率多源新型探测资料,对广州一次局地强对流过程进行了分析。结果表明:(1)降水前数小时,微波辐射计反演的综合水汽含量、对流有效位能和抬升指数已有迹象显示存在有利于强对流发生的水汽和热力条件。(2)FY-4A的闪电成像仪能够对局地小尺度对流云团中闪电活动进行监测,闪电、强降水和7级及以上短时大风基本位于TBB≤-82℃区域内或其附近。(3)风廓线雷达和测风激光雷达的联合使用能有效捕捉到强对流过程发生前的超低空急流特征。(4)云雷达早在降水发生前1 h就已经探测到高层的云层开始发展,对强降水的预报有一定的指示意义。

内蒙古自治区一次沙尘过程的激光雷达分析

为了探究沙尘污染过程中高时空分辨率的结构特征,利用相干多普勒测风激光雷达、地面观测站、中分辨率成像光谱仪,结合卫星气溶胶光学厚度数据产品、欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料(ERA5)以及混合单粒子拉格朗日积分轨道(HYSPLIT)后向轨迹模式,分析了2019-10-27~2019-10-28内蒙古自治区锡林郭勒盟一次典型的沙尘天气过程。结果表明,此次沙尘是受高空冷涡、蒙古气旋的共同影响,配合冷锋在高温时段过境沙源地,热力叠加动力条件有利于沙尘随西风扩散;沙尘来临前后,地表气温变化明显;卫星产品、HYSPLIT模式结合雷达风廓线可以更准确地确定沙尘来源,激光雷达反演的气溶胶消光系数可反映边界层大气中气溶胶的变化情况;2019-10-28T02:00地面PM10的质量浓度达到最大值268μg/m^(3),消光系数超过30km^(-1),达到最大值,雷达反演数据在时间上会有延迟;城市下垫面使得沙尘污染快速减弱,雷达所在的草地下垫面容易受垂直风切变影响产生持续性污染。该研究对应用相干多普勒测风激光雷达、认识沙尘的污染过程以及传输特性很有帮助。

最大似然频谱估计法与周期图最大值法的性能比较分析

研究宽带信噪比(RSNW)和有效功率谱宽度对最大似然(ML)法多普勒频率估计结果的影响,采用探测概率和正确估计频率标准差来描述ML算法对仿真信号和实验数据的处理性能,并与周期图最大值(PM)法所得结果进行比较。经理论仿真和对中国科学院上海光学精密机械研究所1.5μm全光纤相干测风激光雷达实测数据的反演处理,结果表明,高谱宽度下,ML算法的正确估计频率标准差与相比PM可降低0.5 MHz,达到90%的探测概率所需宽带信噪比ML算法与PM算法相比低2 d B。表明ML算法的正确估计频率标准差能与PM算法相比不高于1.1 MHz,探测概率高9%。要获得风速精度小于1 m/s同时探测概率在80%以上,所需宽带信噪比大于-14 d B。