直接测风激光雷达研究

论文摘要

直接测风激光雷达是探测晴空风场精细结构的遥感工具,对于天气预报、大气动力学研究、航空风切变安全预警和国防应用都有重要的意义和显著的应用前景。多普勒激光测风雷达从工作原理上可分为相干和非相干（直接探测）两种。论文中采用了双通道Fabry-Perot（F-P）干涉仪直接探测系统,探测Mie散射回波信号。考虑到大气气溶胶和分子的运动对发散激光束的作用,在低空,发射激光用1064nm时,大气分子的Rayleigh散射回波信号几乎为零,气溶胶的Mie散射信号相对较强,这给信号的探测带来很大的方便。鉴频系统是多普勒测风雷达的关键技术之一,能从探测光强度的变化分析出频移量,其鉴频能力会影响雷达测风的精度。本文分析了测风激光雷达的基本原理。直接探测方法中,边缘技术将激光入射频率锁定在鉴频器陡峭边缘上,较小的频移将导致较大的信号强度变化。论文主要研究测风雷达的鉴频系统,分析了针对低空气溶胶散射信号的双边缘探测理论,然后仿真了F-P对激光束的透过率函数,根据不同F-P的参数对系统灵敏度的影响选择最适合的F-P参数,仿真鉴频系统的鉴频过程。分析了激光线宽,标准具表面质量等对系统鉴频的影响,在现阶段,我们采用的F-P双通道是分开的独立通道,为了提高其稳定性能,进行改进,将两个标准具固定在一个基板上,在受到环境干扰时它们的中心频率漂移变化相同,于是可以保证标准具的频谱中心间隔不受干扰。为了确保出射激光频率在双F-P标准具的中心位置,采用了透过率反馈信号调制标准具腔长。最后对仿真后的数据进行了分析,选取合适的参数,给出了风速误差随高度变化模拟结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 大气风场探测的意义与目的
• 1.2 大气风场测量的主要手段
• 1.3 国内外发展动态
• 1.3.1 国外研究进展
• 1.3.2 国内研究进展
• 1.4 论文的主要工作
• 第二章 激光大气风场测量原理
• 2.1 激光大气风场遥感的原理
• 2.2 单边缘测风激光雷达工作原理
• 2.3 双边缘测风激光雷达工作原理
• 2.4 三波束扫描的方法
• 2.5 直接测风激光雷达的信号模拟
• 2.5.1 工作波长的选择
• 2.5.2 回波信号的各项干扰分析
• 2.5.3 激光雷达方程
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于F-P 标准具鉴频系统仿真
• 3.1 F-P 标准具的原理
• 3.1.1 F-P 标准具的透过率函数
• 3.1.2 F-P 标准具基本概念
• 3.2 F-P 标准具透过率的仿真
• 3.3 鉴频仿真与仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 影响鉴频系统的主要因素
• 4.1 影响标准具鉴频主要的因素
• 4.1.1 激光线宽的影响
• 4.1.2 标准具表面质量的影响
• 4.2 入射光频率动态追踪
• 4.3 测风激光雷达的光路示意图
• 4.4 系统控制
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果