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车载测风激光雷达性能优化和风场反演

刘秉义  
【摘要】: Doppler测风激光雷达具有高时空分辨率和晴空探测等显著优点,已成为目前测量风场的最有效手段之一,它可以实时提供高精度的大气风场垂直廓线和三维风场扫描数据。为了将Doppler测风激光雷达推向业务化运行和实际应用,充分发挥其高时空分辨率测量的优势,本文对原有Doppler测风激光雷达中存在的影响其测量性能的主要问题进行了研究和解决,并对测风激光雷达风场反演方法进行了改进和补充,实现了测风激光雷达的业务化测量,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,并为测风激光雷达服务奥运奠定了基础。 本文研究和解决了非相干测风激光雷达的白天探测问题和影响测风激光雷达扫描测量的偏振比变化的问题;通过改进测风激光雷达的风场测量和反演方法,提高了风速反演精度;首次实现了测风激光雷达高精度、高时空分辨率海面风场的反演,填补了其它测量仪器的空白,并在2007年青岛国际帆船赛(暨2008奥帆赛测试赛)期间得到了应用和检验。本文的具体科学贡献如下: 1.本文在分析非相干测风激光雷达系统白天探测信噪比的基础上,结合系统的具体光学结构和性能参数,采用匹配发散角与视场角,使用窄带干涉滤光片以及利用光纤抑制近场光等方法,优化了测风激光雷达的相关系统参数,实现了白天探测,探测距离可以达到12 km。另外,在分析实验数据误差来源的基础上,通过使用非偏振分光镜代替原系统中的普通分光镜,解决了测风激光雷达扫描测量时偏振比变化引入误差的问题,基本消除了偏振引入的4-5 m/s的径向风速误差,显著提高了激光雷达的扫描测量精度。 2.为提高测风激光雷达的风廓线测量精度,本文通过分析原有反演方法的各种误差,提出了直接测量灵敏度的方法,消除了分子散射为主时大气温度变化和分子散射模型引入的风速测量误差,并针对气溶胶散射为主时的灵敏度非线性问题,在直接测量灵敏度的基础上,进行了灵敏度的非线性校正,改进了原有的风速反演方法,并应用于车载测风激光雷达的业务化测量。 3.针对海面风场观测的需求和奥运会帆船比赛的需要,本文进行了测风激光雷达海面风场反演方法的研究。制定了适于海面风场反演的径向风速测量方法,采用径向风速VAD校正、水平风速VAP反演算法和风速高度校正方法,在2007年青岛国际帆船赛(暨2008奥帆赛测试赛)期间首次获得了空间分辨率为50 m和100 m,时间分辨率为2分钟和10分钟的激光雷达海面风场实时观测数据,与海面浮标、梯度风观测塔的同步测量数据的对比误差为风速1.1 m/s、风向20°。此外,论文还列举了车载测风激光雷达观测到的海面风场特殊现象,表明了测风激光雷达用于小尺度天气现象观测和研究的潜力。 4.考虑到大气模型对激光雷达的系统性能和反演结果的影响,本文利用德国空间中心机载高光谱激光雷达的飞行实验数据,分别使用高斯模型和S6模型反演了气溶胶光学性质参数,对比了不同模型对气溶胶光学性质反演结果的影响,并量化了高斯模型引入的误差。结果表明,使用高斯模型时引入的误差与系统误差相当,在进行大气参数反演和激光雷达性能分析时,应当予以考虑。该研究对于地基、空基的高光谱激光雷达和测风激光雷达的参数设计和性能分析都有重要的参考价值。


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