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。

基于光纤激光器的相干多普勒激光雷达

介绍了一种基于掺铒光纤激光器的相干测速激光雷达,该雷达具有成本低、可靠性高和结构新颖的特点。雷达系统的光路完全采用通信用光纤器件构成,单模光纤耦合器用作分光器和混频器,偏振无关的光纤环形器用作光学天线收发开关,所有光路器件采用单模光纤连接。雷达系统采用频谱分析法进行鉴频获取中频信号的中心频率。研制了原理样机并进行测速试验,系统可以探测的最小速度小于0.4 mm/s,测速精度优于0.1%,输出非线性度小于70×10^(-6)。

相干多普勒激光雷达技术

与传统微波雷达相比,激光雷达具有更高的空间分辨率和灵敏度。激光多普勒雷达作为有效的测速手段,已在遥感空中风场方面得到具体应用。该文介绍了国内外相干多普勒激光雷达的发展情况,并对固态相干多普勒激光雷达的基本组成、工作原理、回波机制以及检测信噪比作了比较详细的论述和分析。文中还结合固态相干激光雷达的特点对该领域的发展趋势作了展望:机载、星载相干激光多普勒雷达技术将得到迅速发展,在军事和民用方面有着广阔的应用价值。

基于相干多普勒激光雷达的北京机场春季低空风切变观测研究

低空风切变极易对起降过程中的飞行器、风力发电机的结构产生破坏性影响。简要介绍了低空风切变及风切变的危害,详细介绍了相干多普勒激光雷达的工作原理和低空风廓线反演算法,以及利用风廓线、风矢量图、风速梯度图等观测数据提取风切变的方法。分析了2015年春季北京首都机场低空风切变个例发生的气象条件和风切变强度。实验结果表明相干多普勒测风激光雷达能有效探测分析低空风切变。

相干多普勒激光雷达观测渤黄海海洋大气边界层高度研究

2014年4月27日至2014年5月19日在“国家自然科学基金委2014年渤黄海共享航次春季航次”中，中国海洋大学利用自行研制的相干多普勒激光雷达在渤黄海32°N～40°N，118．5°E～125．3°E区域内观测海上大气边界层结构。相干多普勒激光雷达垂直指向发射激光和接收回波时，利用不同高度距离库内快速傅里叶变换谱的峰值计算了信号的信噪比，基于梯度法从信噪比廓线数据反演和提取大气边界层高度。该结果与同步的探空仪数据、Vaisala商业化的CL31型云高仪边界层高度进行对比，相干多普勒激光雷达结果与探空仪位温数据提取结果的相关性为79％，标准差为610m；相干多普勒激光雷达与探空仪相对湿度数据提取结果的相关性为90％，标准差为370ITI；相干多普勒激光雷达与云高仪获取结果的相关性为94％，标准差为320m。

低信噪比下相干多普勒激光雷达风场矢量反演算法

为了能在低信噪比情况下获得高精度矢量风速,采用非线性最优化理论中的序列二次规划(SQP)求解滤波正弦波拟合(FSWF),实现了速度方位显示(VAD)算法中矢量风场的反演。基于模拟数据进行仿真实验,以反演结果的均方根误差作为评价指标,对比直接正弦波拟合(DSWF)和SQP-FSWF两种算法,结果表明在低信噪比条件下SQP-FSWF算法的反演效果优于DSWF算法。在FSWF计算中,基于风场反演结果的时空连续性,对比SQP算法和无约束最优化算法中的拟牛顿法,结果表明,SQP算法在低信噪比下效果更好。开展了激光雷达和探空气球的风场测量对比实验,获取了真实的激光雷达回波信号和同步探空气球数据,以进一步评估算法的可靠性。实验结果显示,SQP-FSWF算法得到的风速反演结果,同作为对比对象的探空气球的测量结果(水平风速、水平风向),两者间的相关系数分别为0.993和0.988,平均误差分别为0.2 m/s和3.28°,均方根误差分别为0.28 m/s和4.62°。对比分析反演结果的时空连续性发现,所提出方法在低信噪比下时空连续性更好,与模拟数据实验结果的效果表现一致。

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.

基于线型预测频谱估计的相干激光雷达功率谱分析方法

基于多普勒效应的相干激光雷达广泛应用于测风等大气探测领域,实际应用于风场观测时,由于噪声杂波干扰、回波信号较弱和风场不均匀性等影响了多普勒频移估计的精度。为准确估计激光雷达弱回波信号中的多普勒频移,提升相干测风激光雷达的探测距离和探测精度,文中开展了基于激光雷达功率谱信号的多普勒频移估计算法以及探测性能提升的评估研究。在快速傅里叶变换的基础上,提出了一种结合线性预测频谱估计与导数增强方法的功率谱分析方法,通过与常用的最大似然离散谱峰值频移估计算法(ML DSP算法)进行比较,验证了文中方法在相干测风激光雷达微弱信号频移估计过程中的优势。风速数据的时间及空间相关性分析结果表明,功率谱分析方法具有更好的风速估计稳定性,有效风场探测距离相较ML DSP算法提升了73%。与超声风速计对比结果表明,文中提出的综合算法在弱信号情况下的风速测量精度高,风速结果与超声风速计的标准偏差相较ML DSP算法降低了0.23 m/s,偏离率BIAS降低了0.3 m/s,有效提高了低信噪比范围内多普勒频移估计的精度。

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。

基于短距相干测风激光雷达的机场低空风切变观测

介绍了低空风切变及其预警的研究工作、相干多普勒测风激光雷达反演风场算法以及计算下滑道逆风廓线算法.进一步分析了2015年冬季和2016年春季北京首都机场低空风切变观测实验中所观测到的风切变案例,利用多种测量模式开展案例中风切变的监测,并对风切变观测结果进行了验证.实验结果表明,短距相干多普勒测风激光雷达多种测量模式均可能有效探测低空风切变.

基于多普勒激光雷达的青岛地区大气物质边界层高度反演与分析

为了提升大气物质边界层高度(AMBLH)的识别准确性,基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层(ABL)观测实验,提出了一种基于相干多普勒激光雷达(CDL)信噪比数据的AMBLH的综合反演方法,并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH,其与探空仪反演结果的相关度为0.93。分析了青岛一年内的AMBLH发展情况,发现各月份AMBLH均有日变化特征,其中6、7月特征相对较弱,推测这与夏季来自海洋的东南风盛行有关。AMBLH月均值在全年呈起伏波动趋势,在冬末至春初、夏末至秋初的阶段逐步增大。AMBLH月均中位数4月最高、6月最低,AMBLH季度发展程度由高到低的顺序为春季、冬季、秋季、夏季,其中春季和冬季高度相近。AMBLH各季度日变化中抬升趋势出现的时间为夏季早于春季,秋季与春季相近并早于冬季。

人眼安全相干多普勒测风激光雷达全光纤单频激光器

为了满足近距离相干测风激光雷达对激光发射源的需求,采用种子源振荡-放大(MOPA)的工作方式,对小型化、全光纤、高重复频率、窄线宽并处于人眼安全工作波段的激光雷达用单频脉冲激光器进行了研究。实现激光输出波长1542.4 nm,重复频率10 kHz,脉冲宽度500 ns,线宽1 MHz,平均输出功率50 mW,峰值功率10 W,单脉冲能量5μJ。该激光器可作为近距离相干激光雷达发射源。

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。

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。

新疆地区陆上风电场风机尾流特征分析

风机的尾流效应会导致风能的转化效率下降,还会增加湍流引起的机械应力损伤,降低风机的稳定性和服务寿命.为研究新疆地区陆上风电场风机尾流特征,2015年11月于新疆地区陆上风电场使用脉冲相干多普勒激光雷达进行风场观测。通过分析得到新疆地区陆上风电场风机尾流特征,主要包括风速损失率、尾流宽度、尾流长度及其平均结果,最大风速损失率,尾流长度随时间的变化趋势、与风速之间的关系等,发现风速损失率、尾流宽度、尾流长度与背景风速、湍流强度有关。

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。

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。