相干激光测风雷达风场测量技术

研发了一套全光纤化相干多普勒激光测风雷达设备,并已作为试验样机应用于XXX工程中。该激光测风雷达工作于人眼安全波段,系统结构设计紧凑,性能可靠,可实现远距离风速测量。首先对相干激光测风雷达风速测量精度进行了理论分析,然后采用放置于103 m高塔上的超声风向风速仪和探空气球作为雷达指标的测试工具,对激光雷达进行外场试验,验证设备的性能。经过试验结果分析,风速数据相关性达95%以上,标准差优于0.8 m/s,风向数据相关性达98.6%以上,标准差优于5°。与国外相关激光测风雷达测量精度相当,表明激光测风雷达具有优良的性能,将成为广泛应用的风场测量工具之一。

相干多普勒激光测风雷达系统研究

大气中风速和风场分布的精确测量具有重要的军用和民用价值。近20年来,相干激光雷达对风场的遥测被经常用于大气边界层风场的精确测量。首先介绍了相干激光测风雷达的工作原理;然后对其相关的指标体系进行了详细的分析和论证,主要包括工作波长、探测灵敏度、测速精度以及作用距离与发射功率的关系等技术指标;最后给出了目前较优的相干激光测风雷达系统的技术方案和技术途径。在此基础上,采用1.5μm窄线宽激光光源设计了一套全固态、小型化激光相干测风实验装置,并进行了相关实验。

激光光斑中心高精度定位算法研究

为提高测风激光雷达系统光学结构能量接收效率,需要对激光雷达系统中的激光光斑中心进行准确定位.通过对常用亚像素定位算法的分析,利用高斯拟合和矩形区域来对灰度重心定位算法进行优化,提出了激光光斑定位的改进算法,并与已有的算法进行了对比分析,设计并开展了验证试验.试验结果表明改进算法比已有传统算法对激光光斑的定位准确性大幅提高,最大限度地减小光斑形状的不对称所导致的误差,对于光能量分布中心的估计也更为准确,是一种切实可行的光斑中心定位算法.

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。

3维激光测风雷达技术研究

为了精确测量3维大气风场的实时状态以应对低空风切变在飞行器起降过程中给飞行器带来的多种问题,通过DBS四波束风场反演原理研制出一款小型3维激光测风雷达。对大气风场展开测风试验并获取风场数据,并与其它标准测风设备的数据对比分析。结果表明,雷达在晴天和阴天的天气状况下均可以实现对大气风场的有效测量,风速均方根误差0.42m/s,风向均方根误差5.33°。该雷达精准度高、稳定性好,对风切变预警、中低空大气风场预报及飞行器飞行通道的风场测量具有重要作用。

相干激光测风雷达信号处理系统研究

介绍了基于相干探测方式的多普勒激光测风雷达的基本组成结构和原理,着重对激光测风雷达的信号处理系统进行了研究。文中给出了信号处理系统中所采用的多普勒信号处理方法,对采集到的多普勒回波信号进行了仿真研究。采用商业数据采集卡和LABVIEW软件,设计了相干激光测风雷达信号处理系统,并通过搭建的平台实现了激光视向风速的测量。通过模拟的多普勒回波信号,对信号处理系统进行了测试验证,实验结果证明了该信号处理系统能够达到0.8 m/s的速度测量精度。

米散射测风激光雷达单Fabry-Perot干涉仪鉴频系统

对非相干米散射多普勒测风激光雷达单Fabry-Perot干涉仪双边缘鉴频系统进行理论研究。证明通过适当地降低此系统斜入射通道信号光的发散角可以有效地弥补其边缘曲线不对称产生的测量精度降低的缺陷,使其能够接近双Fabry-Perot干涉仪双边缘鉴频系统的测量精度。还证明此系统可以根据实际风速的需要调整其测量动态范围以获得更高测量精度,具有更高的灵活性。

1.5μm激光雷达相干探测CO_2与风场系统设计与仿真(英文)

探测低空大气CO2浓度的同时可以探测大气风场。采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比,而目前1.5μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5μm可能成为未来探测气溶胶激光雷达的主流波长。本文阐述了激光雷达相干探测大气CO2与风场的原理,设计了1.5μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5μm相干探测风场与CO2是可行的,经过3分钟的脉冲积累,在3km处仍具有高于10的信噪比值。

多普勒测风激光雷达的基本原理与技术进展

风场是水循环、碳循环、气溶胶、污染气体及雾霾的主要动力,也是大气湍流、风能发电厂、数值天气预报和环保等领域的重要参数。多普勒激光雷达利用多普勒效应,通过探测发射激光的频率漂移,可以获得大气风场参数,因此在众多领域具有重要的应用。首先介绍了多普勒效应和测风激光雷达技术的基本原理,然后分别从原理和实际应用方面对多普勒测风激光雷达进行了分类。进而系统介绍了相干探测与非相干探测、连续光探测与脉冲光探测、单边缘技术与双边缘技术、FP条纹与Fizeau条纹技术、VAD与DBS扫描等相关技术。最后简要地介绍了地基、机载与星载测风激光雷达的实例,以及测风激光雷达新技术,并对多普勒测风激光雷达技术进行了总结与展望。

国外相干体制激光测风雷达发展现状综述

过去几十年的发展历程显示了相干激光测风雷达具有精确的大气风场测量能力。在过去20年间，国外发展了10．6μm，2μm，1．6μm，1．5μm以及1．06μm等多个波段的相干激光测风雷达系统。其中，1．5μm波段的相干激光测风雷达由于处于光纤通信波段，器件成熟、成本低，且处于人眼的安全波段，近几年成为研究的热点，国内外多家机构进行了该领域的科学研究和商业化设备的生产。文章阐述了国外相干激光测风雷达的发展历程，对法国、英国、美国、日本、以色列等多个国家典型设备产品的构成和技术能力指标情况进行了描述；最后，提出了我国光纤体制相干激光测风雷达的关键技术攻关方向，为国内光纤体制相干激光测风雷达型号产品的发展提供重要的参考依据。

激光相干测风技术应用研究

激光相干探测技术能够在晴空下实时获得高时空分辨率的风场分布,是目前研究大气风场的一种重要手段。首先简述了大气风场测量的意义,针对激光相干测风技术进行了介绍。随后结合目前相干多普勒测风激光雷达的发展情况,重点对相干激光测风探测技术在不同领域上的应用进行分析和总结。最后,通过对比目前相干探测技术的应用缺陷,进一步分析了相干探测技术的应用前景。

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。

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量,弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺陷,选用对人眼安全的1550 nm工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源,基于激光多普勒相干测风原理,通过改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比(SNR),优化选取了当前系统本振光功率参数;并通过优化设计“有效频谱质心”算法,对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理,从而提高数据反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验,风速数据相关性为0.98,标准差为0.16 m·s^(−1)。在此基础上,利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验,选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析,同时对近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明,该激光雷达系统的风速测量区间为0.3∼18 m·s^(−1),风场测量位置2∼30 m,能够实现风场风速梯度的连续测量。

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。

全光纤激光相干测速雷达与外场实验分析

介绍了一种全光纤激光相干测速雷达,其能精确测量着陆器相对星球的速度,以辅助着陆器精确着陆。介绍了激光测速雷达的测量原理和系统方案,重点介绍了测速雷达的机载飞行试验,并对实验结果进行了分析。

风云第三代极轨卫星测风激光雷达仿真与指标分析(特邀)

高时空分辨率的三维风场是研究大气层动力结构及演化特征、热量-动量-物质交换与平衡的关键要素。世界气象组织评估认为,三维风场的全球观测是从根本上提高数值气象预报精度的首要观测因素。欧洲空间局Aeolus卫星的全链路仿真系统、卫星技术体制、定标印证与科学应用等经验为我国风云卫星的全球动力场观测提供了有益的借鉴。简要回顾了国外星载测风激光雷达发展计划和应用情况,针对我国风云第三代极轨气象卫星对全球高分辨率三维风场的观测需求,分析两种星载测风激光雷达技术的适用性,建议发展一种直接探测与相干探测融合的双体制多普勒测风激光雷达技术方案,通过双光束探测模式,以期实现单星的风矢量探测。通过构建一套全链路测风激光雷达仿真模型,实现网格化大气参数、扫描观测与正演-反演仿真。结合当前国内航天有效载荷的技术成熟度与发展趋势,给出星载混合体制测风激光雷达的主要参数建议,以满足数值天气预报的同化所需要的时空分辨率与观测精度需求。

全光纤相干多普勒激光雷达非线性最小二乘风速反演方法及实验研究

研制了一套人眼安全的全光纤相干多普勒激光测风雷达系统。系统采用1550 nm全光纤单频保偏激光器作为激光发射光源,激光器单脉冲能量0.2 m J,重复频率10 k Hz,脉冲半高全宽400 ns,线宽小于1 MHz。激光雷达接收望远镜和扫描器口径100 mm,采用速度方位显示(VAD)扫描模式对不同方位的视线风速进行测量,使用平衡探测器接收回波相干信号,通过1 G/s的模拟数字(AD)采集卡对相干探测信号进行采集,在现场可编程门阵列(FPGA)数字信号处理器中进行1024点快速傅里叶变换(FFT)得到不同距离门回波信号功率谱信息。对于获得的各方位视线风速,研究采用非线性最小二乘法对激光雷达测量的风速剖面矢量进行反演。激光雷达与风廓线雷达测量的风速进行了对比,两者测量的水平风速,风向和竖直风速相关系数分别为0.988,0.941和0.966。

相干测风激光雷达研究进展和应用

相干测风激光雷达采用外差探测方式,其后向散射信号经本振光放大,信噪比理论上可达到量子极限,具有高时空分辨、高精度的特点。相干测风激光雷达广泛应用于测量风切变、大气湍流、飞机尾流、阵风以及重力波等。目前,国内外相继开展了相干测风激光雷达的研究。介绍了相干测风激光雷达的发展历史,详细介绍了各波段相干测风激光雷达的最新研究进展,并对相干测风激光雷达的发展趋势进行了简要总结。

星载多普勒测风激光雷达应用需求与研究进展

星载多普勒测风激光雷达是目前能够有效获取全球大气三维风场的主动探测设备,能够弥补气象卫星被动探测的不足,对其需求和进展的综述研究具有重要的意义。首先阐述了天气预报精度提升、数值模式同化和气候变化研究等领域对全球三维风场探测的迫切需求;接着回顾了相干探测、直接探测和混合探测三种体制的星载多普勒测风激光雷达的发展历程,并总结了当前星载测风激光雷达研究所面临的挑战;然后根据我国多普勒测风激光雷达的研究现状,归纳出我国星载测风激光雷达发展所急需解决的七类关键技术;最后指出星载混合体制测风激光雷达结合了相干探测和直接探测的优势,既能降低研制成本,又能提高大气垂直风廓线探测精度,是未来星载测风激光雷达的主要发展方向。

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。