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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于小波分析的多普勒测风激光雷达信号去噪研究

针对多普勒测风激光雷达探测大气回波信号微弱和噪声干扰大的问题,提出了基于小波变换的半软阈值算法。首先,对基于小波变换的半软阈值算法原理进行分析,搭建了以马赫-曾德干涉仪作为鉴频器的非相干多普勒测风激光雷达系统;然后,采取硬阈值、软阈值和半软阈值3种算法对激光雷达探测回波信号进行实验。实验结果表明:与其它阈值法相比,半软阈值的信噪比(SNR)为4.933 5 d B,均方根差(RMSE)为0.676 2,去噪效果更优良,有效地提高了大气风速探测精度。

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。

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。

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.

高光谱碘分子和双边缘多普勒测风激光雷达技术比较

对采用原子滤波器的激光雷达技术和双边缘技术的灵敏度和误差进行了详细的讨论。对于纯 Rayleigh散射 ,双边缘系统的灵敏度高于基于碘分子的激光雷达系统 ,而对于 Rayeigh- Mie混合信号 ,双边缘系统通过采用特殊工作点的办法 ,有效解决 2种信号响应不同的问题 ;但同时该工作点的选取使得系统灵敏度降低 ,误差增加。对于后向散射比不是很大 (<10 )的情况下 ,误差可以控制在1m/s以内 ,完全可以满足测量要求 ,因此对于对流层顶部和平流层测风很适合。基于碘分子的激光雷达系统利用碘分子的高吸收性对 Rayleigh- Mie信号有效的进行分离 ,并且灵敏度随着后向散射比的增加而增加 ,从而对底层大气的探测特别有利。