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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

毕德仓  
【摘要】: 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。 本论文主要有三个创新点: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;三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。


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