针对收发分置氦激光雷达系统,基于连续激光束成像技术,获得了不同收发分置距离下对应的距离分辨率大小,以及单列CCD像素元与高度的对应关系和距离分辨率随高度的变化曲线.对比分析了在不同亚稳态氦原子密度的条件下,系统单列像素元接收到的光子数与探测高度的对应关系,并获得了信噪比和相对误差随探测高度的变化情况.仿真结果表明,增加积分时间可以提高信噪比,在400~1 000 km的高度范围内,积分时间为2 h,距离分辨率为50 km时,信噪比在10~65范围内,相对误差小于10%.研究结果表明采用收发分置氦共振荧光激光雷达系统可实现对热层200~1 000 km亚稳态氦密度的探测,为进一步完善优化收发分置氦共振荧光激光雷达系统的方案提供参考.

分别利用高斯拟合估计算法(Gaussian fitting estimation algorithm, 以下简称Gauss估计算法)和最大似然(Maximum Likelihood, ML) 离散谱峰值(Discrete Spectral Peak, DSP)估计算法(ML DSP)处理实测回波信号, 计算得到风速扰动的功率谱密度(Power Spectral Density, PSD)。根据Kolmogorov湍流理论中PSD与频率的-5/3关系, 比较不同距离门下的PSD, 采用高频区域的风速误差作为风速估计性能参数, 分析比较不同距离情况下风速误差, 并利用自相关系数分析风速时间变化的相关性。结果表明: 在距离较低的探测区域Gauss估计算法的风速误差微弱小于对应的ML DSP估计算法, 二者之间的风速误差差值最多不超过0.05 m/s。而在距离较高的区域, 两种算法的风速误差差值从820 m处的0.06 m/s增加至1 200 m的0.16 m/s。在风速的时间相关性分析上, Gauss估计算法的风速时间自相关系数明显大于对应的ML DSP估计算法, 说明Gauss估计算法处理的风速数据更具有稳定性。

目前中国科学技术大学车载激光雷达已经实现了对于15~60 km中性大气风场的夜间连续观测, 鉴于白天观测的信噪比受到背景光的限制, 因此, 设计了一种利用现有干涉滤光片结合固态FP 标准具的超窄带滤光器, 用于实现背景噪声的降低。提出了一种结合鉴频器参数确定FP最佳参数的方法, 得出了 FP 标准具的参数, 实现了带宽为8.4 pm、中心波长为354.73 nm、自由光谱间距为150 pm、峰值透过率高于0.67的滤光器, 将背景噪声降低到原来的十八分之一。 该滤光器有效提高了系统信噪比, 减小了风速误差, 同时计算了温度、角度变化对滤光器带宽、中心波长和透过率的影响, 设计了一种角度调谐的方法。实验结果与理论值具有较高的一致性。

对于平流层的高空间分辨率的重力波连续测量和研究非常稀少。近几年中国科学技术大学的瑞利多普勒激光雷达观测了大量的重力波事件, 这得益于激光雷达系统在重力波研究中的优越特性。文中对激光雷达系统作出了一个简单的介绍, 并且展示了位于中国酒泉(39.741°N, 98.495°E), 垂直高度范围在15~60 km, 自2015年10月7日起持续了两个月的重力波夜间观测结果。在对一些重力波事件分析过程中, 对中尺度的水平风速进行了二维波谱分析之后, 发现重力波波动非常明显, 这些波动的波长范围主要集中在3~6 km, 而周期大约为10 h。这些观测结果都肯定了瑞利多普勒激光雷达在重力波观测应用方面的优势。

提出了一种能在高海拔区域工作的相干光路的直接探测多普勒激光雷达系统。系统设计借鉴了相干测风激光雷达系统的光路, 利用大气分子散射光进行风速测量, 采用偏振分光棱镜和1/4波片组成光开关, 配合收发合置的望远镜, 简化了直接探测系统的光路, 提高了光路稳定性; 采用腔长固定式的标准具, 脉冲激光器波长为可调谐, 经优化, 调谐范围约10 GHz, 完成了系统的仿真设计和设备选型工作。

移动式多普勒激光雷达在外场实验过程中，考虑到工作平台的随机性，测量坐标系很可能不再是地面参考坐标系，这为三维矢量风场的反演带来困难。提出采用三维空间坐标旋转变换的方法建立了测量坐标系与地面参考坐标系的一般关系式，并进一步导出了反演三维风场的普遍公式。此外，在光束扫描过程中，由于二维扫描仪加工精度等的限制，光束存在一定的定向误差。采用Monte-Carlo模拟方法定量研究了光束指向偏差引起的风场测量误差，结果表明，当水平风速为100 m/s时，1°的光束定向误差引起的水平风速大小误差为0.712 m/s，方向误差为0.704°，与理论计算结果一致。理论分析结果还表明：当水平风速为100 m/s时，1°的光束最大定向偏差引起的水平风速大小的最大偏差为1.16 m/s，方向最大偏差为1°。

We describe a mobile molecular Doppler wind lidar (DWL) based on double-edge technique for wind measurement of altitudes ranging from 10 to 40 km. A triple Fabry-Perot etalon is employed as a frequency discriminator to determine the Doppler shift proportional to the wind velocity. The lidar operates at 355 nm with a 45-cm-aperture telescope and a matching azimuth-over-elevation scanner that provides full hemispherical pointing. To guarantee wind accuracy, a single servo loop is used to monitor the outgoing laser frequency to remove inaccuracies due to the frequency drift of the laser or the etalon. The standard deviation of the outgoing laser frequency drift is 6.18 MHz and the corresponding velocity error is 1.11 m/s. The wind profiles measured by the DWL are in good agreement with the results of the wind profile radar (WPR). Evaluation is achieved by comparing at altitudes from 2 to 8 km. The relative error of horizontal wind speed is from 0.8 to 1.8 m/s in the compared ranges. The wind accuracy is less than 6 m/s at 40 km and 3 m/s at 10 km.