吴松华[1]2004年在《高稳定性高光谱分辨率激光测风系统关键技术》文中研究说明非相干测风激光雷达是目前唯一可探测晴空风场精细结构的遥感手段，对于数值天气预报、大气动力学研究、航空安全预警和国防应用都有重要的意义和显着的应用前景。面向气象应用要求的系统关键技术的攻克，也将为我国星载测风激光雷达的发展奠定一定基础。本论文针对气象应用对测风激光雷达工作模式、稳定性和实时测量的需求，进行了非相干多普勒激光雷达系统设计，并就系统研制中的关键问题进行了研究。 为了实现气象业务工作模式，论文进行了高重复频率的半导体泵浦Nd：YAG脉冲激光器的种子注入研究。首次实现了种子激光器和脉冲激光器的单模光纤注入耦合，完成了单纵模、可调谐、稳频脉冲激光发射系统的研制。采用基于碘分子吸收的数字PID锁频方法，对非平面环形腔的连续激光器进行了锁频，频率稳定性优于1MHz。 针对风速测量对观测时间的需求，论文采用经验模式分解方法对激光雷达大气回波信号进行实时预处理，为下一级风速反演实时提供高信噪比、高时空分辨率的初始数据。为提高径向风速反演精度，论文采用离散小波变换，提出了应用双正交小波和随探测距离变化的阈值设定方法，对径向风速数据进行了降噪处理。数据分析显示，综合两种方法该方法能够有效地提高反演精度，同时可补偿平均次数减小引起的信噪比降低。 鉴于小型车载系统对于可靠性、快速启动能力的要求，以及紧凑的车载环境限制，系统采用了模块化设计思想。激光发射系统、高光谱分辨率的鉴频系统、光电转换、数据采集及控制等形成相对独立的子系统。系统采用高重频、高功率的半导体泵浦激光器和全天候的扫描转镜可以进行快速、高精度的多种气象业务模式扫描。系统设计还对设计参数进行了模拟。
毕德仓[2]2010年在《微波调制测风激光雷达新方法和激光雷达测量温度关键技术的研究》文中研究指明随着激光技术和光电子技术的发展,多普勒(Doppler)激光雷达因其具有高时空测量分辨率和晴空探测的优势已成为发展迅速的有效主动遥感手段,但它同时也存在功能单一,激光线宽窄和光学鉴频器复杂的局限性。本论文研究的微波调制测风激光雷达是一种新颖的多普勒测量激光雷达,它既具有直接探测大气中分子和气溶胶平均速度场的优势,也具有相干探测灵敏度高的优势。同时,开发了大气温度剖面测量子模块,实现了多普勒激光雷达测温功能。这将使得微波调制和测温结合起来做一套微波调制综合激光雷达具有重要意义。本论文主要有叁个创新点：一是提出微波调制测风激光雷达,消除传统多普勒激光雷达对激光频率稳定性、线宽极窄的限制；二是将激光雷达的多普勒频率鉴别从光学鉴频转移到成熟的微波鉴频；叁是开发基于单个碘分子滤波器的大气温度剖面测量功能模块,实现多普勒激光雷达测温功能,为多功能综合激光雷达发展铺路。本文的主要研究内容之一是构建了一套基于全光纤微波调制测风激光雷达实验测量系统,通过提取微波的多普勒频移可反演速度。微波调制测风激光雷达是把激光作为载波,以微波作为信号去探测目标的速度,经过微波调制的激光与目标相互作用后,不仅激光频率有多普勒频移而且微波的频率同样有多普勒频移,这样利用了混频,滤波,频谱分析等成熟的微波处理技术来检测多普勒信息,实现了从光学鉴频到微波鉴频的转换,摒除了昂贵复杂的光学鉴频器,消除了多普勒激光雷达对激光线宽的限制。结合利用激光调制技术、激光与目标相互作用,从理论和实验出发,证明强度调制激光作为探测信号用直接强度检测方法提取目标、大气速度场可行；而相位调制激光作为探测信号只能用相干检测方法提取多普勒信息。针对微波调制测风激光雷达的大气探测方式进行了模拟仿真,仿真结果表明该雷达1m/s速度变化对应8.7Hz频移,测速范围超过±2000m/s。并给出了微波调制测风激光雷达设计方案,探测方法和信噪比分析。与微波调制雷达的驱动系统联合调试实验得到线宽13Hz频率1.3GHz优异调制信号。全光纤微波调制测风激光雷达实验系统的研究为该新型激光雷达的关键技术突破做了前沿性的探索。本文第二个主要研究内容是设计并实现了基于单个碘分子滤波器的测温子模块。该模块安装于车载多普勒激光雷达,获取了温度剖面数据,拓展多普勒激光雷达的探测功能,为之走向多大气参数获取和应用铺了道路。在温度的反演中,提出了一种基于S6模型的大气温度反演方法。对比结果显示：激光雷达测量的16km高度下大气温度剖面数据与探空雷达的实测数据一致性较好,5km以内测量标准差为1℃,16km以内测量标准差为3℃,并分析了误差来源。与L波段探空雷达的联合对比测量中验证了该方法的可行性。结合微波调制测风激光雷达和高光谱分辨率激光雷达的激光测量功能,搭建一套微波调制综合激光雷达概念系统,可以充分利用微波和激光在探测大气风、温上的技术优点,这是现在国际上所没有的一种新的探测技术手段。开展这种新颖的激光测量手段及其方案的研究,对于今后的多普勒激光雷达和综合气象观测雷达的发展具有重要的意义。
杨勇[3]2013年在《原子鉴频及其在太阳观测中的应用》文中研究指明原子鉴频器是一种基于原子跃迁的新型光学鉴频器件,具有透射带宽窄、透射谱型稳定的特点,因此在光电探测等领域具有独特优势。基于原子鉴频的高光谱分辨率太阳观测,可以实现太阳光球层和色球层的速度场、磁场观测；能够为太阳物理研究和应用提供高分辨率观测数据；成为监视太阳剧烈活动,进行空间天气预报的有效观测手段。本文调研了高光谱分辨率太阳观测的意义及发展趋势后,以原子鉴频技术及其在高光谱分辨率太阳观测中的应用为中心开展研究。对基于原子跃迁的光学器件的理论和技术开展了较为系统的研究,开发了原子鉴频器模拟软件,用于指导原子鉴频器的研制。分析了原子鉴频器应用于光电探测系统时出现的有效透射率问题及解决方法。在此基础上,发展出多种新型的原子光学器件。其中,普通型和紧凑型双通道原子滤光器的成功研制,有效地提高了传统原子滤光器的透射率,而双峰原子鉴频器和塞曼吸收原子鉴频器的成功研制,则是实现了传统原子器件的技术和功能扩展,满足了高光谱分辨太阳观测的需求。研制了四峰透射原子鉴频器,并提出基于四峰透射原子鉴频器的太阳层析观测,具有创新意义。为了开展高光谱分辨率太阳观测,设计并研制了两种基于原子鉴频的太阳观测实验系统,包括法拉第原子鉴频器和塞曼吸收鉴频器级联实现高分辨的实验系统以及法拉第原子鉴频器和标准具级联实现高分辨的实验系统。采用法布里珀罗标准具光学选峰的实验系统,不仅稳定性高,光谱分辨能力强,而且还具有调谐方便的优点。利用上述实验系统开展高光谱分辨率太阳观测,成功地获得了太阳全日面的多普勒速度观测结果。对观测结果进行图像处理,扣除太阳较差自转以及引力红移等因素的影响,获得了太阳速度场的初步结果。这是在国内首次获得基于原子鉴频的太阳观测结果,为我国太阳观测研究提供新型观测手段和科学数据。最后进行了误差分析,并结合激光雷达观测结果,分析了地球大气对高光谱分辨率太阳观测的影响。
郑俊[4]2018年在《瑞利测风激光雷达高稳定昼夜探测光学接收机的研究》文中进行了进一步梳理大气风场的高精度和高时空分辨率测量,有利于大气动力学过程的研究和提高数值天气预报准确性。瑞利测风激光雷达是重要的大气风场探测手段之一。光学接收机是瑞利测风激光雷达最核心的部件,其性能对于风场测量的精度具有重要的影响。论文从瑞利测风激光雷达的研制入手,重点研究该激光雷达系统中的高稳定昼夜探测光学接收机,提高系统的稳定性和探测精度。设计白天观测超窄带滤光器方案,提高系统的白天观测能力。设计零多普勒频率校准方法,消除了零多普勒频率偏差高稳定光学接收机是瑞利测风激光雷达的核心部件,对于准确测量大气风场具有重要的意义。利用非偏振分束棱镜与叁通道可调谐F-P光学粘接的方法,研制高稳定光学接收机用于瑞利测风激光雷达的多普勒频率检测,并对接收机的稳定性进行了实验检测和分析。通过对光学接收机的透过率曲线的长期测量,确定了光学接收机的透过率曲线的抖动对风速测量的影响,结果为:光学接收机的稳定性所引起的径向风速的标准差为1.6%。针对瑞利测风激光雷达白天观测的天空背景抑制问题,提出了利用F-P标准具滤光器与干涉滤光片结合,研制白天观测超窄带滤光器加入光学接收机。提高光学接收机和瑞利测风激光雷达白天观测时对天空背景的抑制效果,并初步实验验证了白天观测滤光器在激光雷达白天观测时的性能,提升光学接收机及激光雷达系统的白天探测能力,白天背景为原来的4.89%,15 min的探测时间,探测高度从22 km提升到33 km。针对零多普勒频移偏差导致的径向风速测量存在系统偏差,设计零多普勒频率校准方案,利用光学接收机的非偏振分束棱镜,引入零多普勒频移的参考光,消除了零多普勒频率偏差,提高了系统的探测精度。通过径向风速测量实验,直接验证了零多普勒频率校准能够有效消除系统偏差。利用高稳定光学接收系统,瑞利测风激光雷达系统进行了四次外场试验观测,验证光学接收机和系统的性能和稳定性,并积累中高层大气风场探测数据。
华灯鑫[5]2016年在《大气探测激光雷达技术进展及应用瓶颈》文中研究说明大气是人类生存的重要环境之一,其状态监测利于天气预报、极端气象预警以及气候趋势估计。激光雷达以其高时空分辨率的廓线探测优势,发展迅速,已用于气溶胶颗粒物分布,大气温湿度及风场等多参量的遥感探测。本文主要阐述了大气探测激光雷达的技术研究进展,突出介绍了西安理工大学在该领域的研究特色,以及在推动激光雷达作为监测仪器应用中的研究成果,主要涉及微脉冲及多波长米散射型激光雷达、大气温湿度拉曼激光雷达、高光谱分辨率激光雷达、全光纤多普勒测风激光雷达、生物气溶胶荧光激光雷达,以及叶绿素荧光寿命、光电检测与数据融合、高速数据采集等核心检测与集成技术,最后探讨了大气探测激光雷达的应用瓶颈问题。
石大莲[6]2015年在《中高层大气风场探测F-P干涉仪的数据反演算法与定标方法研究》文中认为近年来,中高层大气风场引起了气象学、大气动力学研究学者的普遍关注。中高层大气风场探测为人类了解大气上下层之间的能量和动量传输机制提供关键数据、为航天器的安全保驾护航、为奇特的天气现象答疑解惑。法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,简称F-P干涉仪)作为一种干涉型被动探测仪器,利用大气中气辉谱线的多普勒效应对中高层大气的风速、温度等重要参数的测量,在大气风场探测的领域已得到广泛应用。我国对该类仪器的研究相对滞后。本论文基于F-P干涉仪的风场探测原理,对风场探测F-P干涉仪的数据反演技术、实验室定标方法以及星上定标方法进行研究,为我国的中高层大气风场探测F-P干涉仪研制奠定基础。本论文的主要研究内容如下:1.论文介绍了中高层大气风场探测的背景和意义,对各类大气风场探测仪器进行了总结和对比,对国内外的风场探测F-P干涉仪发展情况进行了梳理。随后,详细研究了风场探测F-P干涉仪的工作原理和风速、温度反演机理。2.针对风场探测F-P干涉仪的数据反演,从F-P干涉仪的系统传递函数出发,研究了叁种经典的风速、温度反演算法的原理和具体计算方法;提出了一种新的不需要系统参数的高斯拟合风速反演算法,并结合修正的艾里函数描述法,对搭建的国内首台多普勒效应模拟系统的实测数据进行了反演,风速反演精度达到5.7m/s,温度反演精度优于3K。3.对风场探测F-P干涉仪的实验室定标进行了研究,就傅里叶完整描述法的实验室定标,提出了一种改进的傅里叶系数计算方法;对基于艾里函数的数据反演算法的实验室定标,采用激光照射定标法,结合分步走非线性回归拟合法进行数据处理,获取仪器函数参数,并通过实验数据对该方法进行了验证。4.分析了风场探测F-P干涉仪的星上定标的任务、原理,总结了技术关键和难点,并给出了两种星上定标系统。最后,对星上定标精度进行了分析和仿真。
王章军[7]2010年在《基于分子滤波器和Fe玻尔兹曼方法的高低空测风测温激光雷达系统》文中认为多普勒激光雷达作为一种主动式光学遥感设备,具有实时性好、探测灵敏度高等优点,可以连续进行高时空分辨率的大气风场、温度等的垂直剖面探测,为中层、中高层大气探测提供了有效手段。本文研究内容包括基于分子滤波器的高低空多普勒测风、测温激光雷达系统软件开发和探测方法研究,以及中高层(30-115 km)Fe玻尔兹曼测温激光雷达改进系统研制。本文从车载多普勒测风激光雷达业务化运行的需求出发,采用模块化的程序设计思想,设计并完成了界面友好、功能强大的激光雷达业务化软件----数据采集、处理及控制软件(DAAS)。结合雷达系统的具体性能参数,制定了各种数据产品的测量流程及数据存储格式等,实现了风廓线、径向风速PPI、径向风速RHI及海面风场等多种数据产品的业务化测量,为我国第一台车载测风激光雷达的研制和业务化应用作出了重要科学贡献。为提高测风激光雷达的风场测量精度,本文对径向风速测量的叁大前提假设(大气水平均匀、垂直风为零及各个方向灵敏度相同)进行了详细分析和理论计算,计算出了每个前提假设对径向风速测量精度的影响,指出了目前的径向风速反演方法的局限性和适用范围。为了同时获取中高层大气的风场和温度,本文采用基于Na-DEMOF双边缘鉴频技术的多普勒测风、测温激光雷达,同时测量了10-50 km的大气风场和温度。本文对Na-DEMOF的测量原理及结构进行了详细的论述,并编写完成了基于LabVIEW的数据采集软件,同时反演得到了大气风场和温度。为了研究全球热力系统、大气动力学、重力波等大气现象,Chu et al.于1999年研制完成了一台Fe玻尔兹曼测温激光雷达系统,并于1999-2001和2002-2005分别在南极洲的Amundsen-Scott(90?S)科考站和Rothera科考站(67.5?S)进行了长期观测。本文在原有系统的基础上对发射系统和接收系统进行了升级和改进,结合系统的具体光学结构和性能参数,采用更改Pinhole大小来匹配发射角和视场角,以及Fabry-Perot标准具与窄带干涉滤光片相结合的方法,有效的滤除了白天背景光,实现了白天探测。为了提高脉冲激光器的稳定性和光束质量,更换了种子激光器,设计完成了种子注入及种子激光器稳频系统。采用高精度的波长计、PID控制方法以及Flipper Mirror相结合,实现了利用一台波长计和扫描Fabry-Perot干涉仪交替控制和监测两台种子激光器,同时编写完成了基于LabVIEW的数据采集软件。升级后的Fe玻尔兹曼测温激光雷达系统在美国Boulder进行了前期测试,实现了全天候24小时30-115 km温度和75-115 km Fe原子数密度测量。该系统已于2010年10月运往南极McMurdo科考站(78?S,167?E)进行为期3年的科学观测。
郭文杰[8]2016年在《532nm瑞利多普勒激光雷达若干关键技术和大气重力波观测研究》文中研究说明532nm瑞利多普勒激光雷达是探测30-70km高度范围内大气密度、温度和风场的重要手段。发展532nm瑞利多普勒激光雷达技术对大气动力学研究以及保障飞行器安全具有重要意义。本文从测量原理出发,对532nm多普勒激光雷达系统中的若干关键技术进行了分析研究,并利用激光雷达数据分析了北京地区的大气重力波特性。碘分子吸收光谱仪是532nm瑞利多普勒激光雷达系统的关键器件。本文测量了不同温度下的碘分子吸收光谱曲线,分析了碘分子吸收光谱仪的温控精度对激光频率稳定以及风速测量结果的影响。开展了532nm激光频率稳定技术研究,解决了频率稳定过程中激光腔中的PTZ电压调谐和激光晶体温度调谐的协调控制问题,并研制了基于碘分子吸收光谱仪的长时间激光频率稳定系统。建立了脉冲激光注入状态监测装置,该装置基于碘分子吸收光谱仪,能够对脉冲激光的注入状态和中心频率进行监测。完成了激光雷达光束自动瞄准装置的研制,提高接收信号的信噪比,避免因激光光束与接收望远镜视场的偏差造成的测量误差。本文给出了532nm瑞利多普勒激光雷达的温度以及风速的测量结果,并与TIMED/SABER的温度数据、探空气球和MERRA的纬向风数据进行了对比,对比结果有较高的一致性,证明了该激光雷达温度以及风速探测的可靠性。利用瑞利激光雷达的探测数据分析了发生在北京上空上平流层区域的一列准单色重力波,并结合美国国家环境预报中心(NCEP)的全球预报系统(GFS)的风场数据分析了该地形重力波的基本参数。通过对瑞利激光雷达观测数据研究,分析了北京地区温度以及重力波活动的季节变化特性。
李亚娟[9]2016年在《纯转动拉曼—瑞利激光雷达中低空大气温度探测研究》文中研究说明大气温度是描述大气状态的一个重要气象参数。利用高时空分辨的激光雷达探测大气温度是大气热力学和动力学研究的一种有效手段。通过各个层段的大气温度连通性探测,对研究各大气层之间的能量传播以及人类活动对大气环境的影响都具有重要意义。本论文以中低空大气温度探测为研究目标,研制出了一套纯转动拉曼-瑞利激光雷达系统,实现了5-80 km范围的大气温度高精度探测；通过对数据的处理分析,提出了新的校准反演方法,同时对中低空大气温度的热结构和扰动特征进行了分析。主要研究内容如下：(1)本文主要完成了一套集成纯转动拉曼与瑞利两种测温机制的激光雷达系统的研制。该激光雷达系统的激光发射单元采用种子注入的Nd:YAG激光器二次倍频输出脉冲能量约300 mJ的532.106nm激光,通过碘分子稳频技术保证了中低空大气风场和温度的联合观测；接收单元采用1m口径的长焦卡塞格林式望远镜,通过收发精确匹配、高分辨光谱分光滤光优化设计以及分通道斩波技术,实现了转动拉曼和瑞利散射回波信号的高效接收与分离：采集单元利用斩波同步触发控制和弱信号检测技术,对中低空不同探测范围的回波信号进行了采集和处理。(2)本文基于纯转动拉曼-瑞利激光雷达系统完成了中低空大气温度的连通探测。利用转动拉曼测温方法实现了低空5-40 km的大气温度探测,利用高、低空瑞利探测通道分别实现了50～80 km和30-60 km的中层大气温度探测。根据重迭区域(30～40 km、50-60 km)的温度数据,本文提出了一种数据融合方法,获得了5-80 km完整的温度廓线。在6h(1 h)的累积时间下,对不同高度段分别采用600 m、900 m和1200 m的空间分辨率,10 km高度转动拉曼的温度测量精度为0.1 K(0.3 K),30 km增大为0.7 K(1.8 K)；低空瑞利通道从30 km到50 km的温度测量不确定度从0.15 K(0.4 K)增大到1.1 K(2.7 K),而对于高空瑞利通道,温度测量的不确定度从50 km处的0.4 K(1.0 K)逐渐增大为80 km的3.4 K(8.8 K)。此外,转动拉曼-瑞利激光雷达的观测结果还与同时段的探空气球、模式(NRLMSISE00)和卫星(TIMED/SABER)数据进行了比较,结果的一致性证明了该激光雷达系统温度测量的可靠性。(3)本文分别对转动拉曼和瑞利的温度反演算法进行了模拟,并对观测数据进行了处理分析。对于转动拉曼温度反演方法,本文重点分析了滤光片参数的优化选取及校准函数的选择,讨论了系统参数变化(激光波长、线宽和滤光片角度)对校准和温度反演结果的影响。根据观测数据,针对不同时空分辨下的转动拉曼温度探测精度、对流层顶附近及四季不同的温度结构特征分别进行了分析；而对于瑞利温度反演方法,本文主要讨论了参考值和气溶胶含量对大气密度和温度反演结果的影响。根据观测数据,对高、低空瑞利通道分别探测到的密度、温度及相应的扰动进行了分析。从转动拉曼和瑞利的温度扰动中可以看出,大气的不同高度均出现有周期性的波动特征。(4)本文基于转动拉曼与瑞利两种机制之间长达10 km的重迭探测,提出了一种利用瑞利温度对转动拉曼回波信号进行校准和温度反演的新方法,即自校准方法。利用同一套激光雷达系统中的两种测温机制实现校准,具有时空一致性和实时校准的优势,而且不依赖于其他温度探测手段,更适于野外环境的观测。但是,自校准方法受校准区间和信噪水平的限制,与气球校准方法相比,两个系数的校准函数Q=exp(a+b/T)更适用于自校准方法,而且两种校准方法用于温度扰动分析时,分别得到的温度扰动的偏差小于0.015 K,因此,自校准方法与气球校准方法一样可用于大气扰动的分析。(5)本文基于自校准方法获得的5-80 km大气温度廓线,对不同大气层段的温度结构和扰动特征进行了分析。从近地面至中间层顶,大气温度的扰动表现出波动的性质。随高度升高其扰动幅度按照～10 km的标高指数增长,但是在一些高度(如39 km、52 km、64 km和73 km),温度的扰动始终表现为极小值("nodes")。通过比较不同高度段的温度和扰动特征,可以发现一些不同的波长、振幅、相位等波动信息,说明了大气中的一些波源于低层大气,而且在向上传播的过程中,表现出不稳定的特性。
参考文献：
[1]. 高稳定性高光谱分辨率激光测风系统关键技术[D]. 吴松华. 中国海洋大学. 2004
[2]. 微波调制测风激光雷达新方法和激光雷达测量温度关键技术的研究[D]. 毕德仓. 中国海洋大学. 2010
[3]. 原子鉴频及其在太阳观测中的应用[D]. 杨勇. 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）. 2013
[4]. 瑞利测风激光雷达高稳定昼夜探测光学接收机的研究[D]. 郑俊. 中国科学技术大学. 2018
[5]. 大气探测激光雷达技术进展及应用瓶颈[C]. 华灯鑫. 第33届中国气象学会年会 S18 雷达探测新技术与应用. 2016
[6]. 中高层大气风场探测F-P干涉仪的数据反演算法与定标方法研究[D]. 石大莲. 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所). 2015
[7]. 基于分子滤波器和Fe玻尔兹曼方法的高低空测风测温激光雷达系统[D]. 王章军. 中国海洋大学. 2010
[8]. 532nm瑞利多普勒激光雷达若干关键技术和大气重力波观测研究[D]. 郭文杰. 中国科学院国家空间科学中心. 2016
[9]. 纯转动拉曼—瑞利激光雷达中低空大气温度探测研究[D]. 李亚娟. 中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所). 2016
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