利用北京国家基本气象站内多普勒测风激光雷达和 L 波段探空系统在 2020 年 1 月 1 日至 5 月 31 日期间进行了同步观测试验, 在经过观测数据时间和空间匹配的基础上, 以后者测风数据为参照标准, 从探测风廓线的高度、风向和风速三个方面的一致性分析了激光雷达的测风数据质量。结果显示: 在观测试验期间, 激光雷达 56.5% 的观测时间里最大探测高度不低于 2000 m, 2.9% 的观测时间最大探测高度不足 1000 m; 激光雷达探测获取的水平风向、风速与 L 波段探空系统具有较好的一致性, 针对匹配得到的 8491 组对比观测数据, 其风向和风速数据拟合总相关系数分别为 0.965 和 0.986; 总体风向、风速的平均偏差和均方根误差分别为 -1.3° 和 16.1°、0.21 m·s-1 和 1.06 m·s-1; 在 2000 m 以上高度, 由于激光雷达观测数据的信噪比偏弱, 获得可信的观测数据量减少, 会对风向、风速一致性比对造成不利影响。

为了探究沙尘污染过程中高时空分辨率的结构特征, 利用相干多普勒测风激光雷达、地面观测站、中分辨率成像光谱仪, 结合卫星气溶胶光学厚度数据产品、欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料（ERA5）以及混合单粒子拉格朗日积分轨道（HYSPLIT）后向轨迹模式, 分析了2019-10-27~2019-10-28内蒙古自治区锡林郭勒盟一次典型的沙尘天气过程。结果表明, 此次沙尘是受高空冷涡、蒙古气旋的共同影响, 配合冷锋在高温时段过境沙源地, 热力叠加动力条件有利于沙尘随西风扩散; 沙尘来临前后, 地表气温变化明显;卫星产品、HYSPLIT模式结合雷达风廓线可以更准确地确定沙尘来源, 激光雷达反演的气溶胶消光系数可反映边界层大气中气溶胶的变化情况;2019-10-28T02:00地面PM10的质量浓度达到最大值268μg/m3, 消光系数超过30km-1, 达到最大值, 雷达反演数据在时间上会有延迟; 城市下垫面使得沙尘污染快速减弱, 雷达所在的草地下垫面容易受垂直风切变影响产生持续性污染。该研究对应用相干多普勒测风激光雷达、认识沙尘的污染过程以及传输特性很有帮助。

激光雷达可以快速实现对大气风场的非侵入测量, 获得精确三维风矢量。为验证测风激光雷达观测湍流的可行性并获得湍流观测特征, 利用相干多普勒激光雷达在深圳杨梅坑进行湍流观测实验。依据 Reynolds 分解原理, 应用小波分解获取湍流脉动并分析大气的湍流运动特征。结果表明: 观测地日平均湍流强度呈现“单峰单谷”结构, 与实验期间气温的变化呈现较高相关性; 湍流动能引起垂直方向上的输送主要集中在日间 12:00 后, 与湍流耗散率的相关系数达 0.77; 湍流功率谱密度在惯性副区内基本符合 Kolmogorov“-5/3” 定律。研究结果验证了测风激光雷达可以较为精确地估算湍流参数。

当气流经过风电机组的扫风平面时, 风电机组下风处产生的尾流效应会对风电机组的发电效率、疲劳载荷产生不同程度的影响。基于相干多普勒测风激光雷达在江苏某海上风电场开展了全天候风场观测实验。由于紧邻风电机组的尾流垂直截面上风速呈双高斯分布规律, 利用传统单高斯拟合算法存在计算误差较大, 无法反映真实流场风速变化规律, 提出了一种单-双高斯模型拟合改进算法, 分析了目标风电机组尾流的尾流宽度、风速损失率和尾流长度等参数特征, 研究结果验证了单-双高斯拟合算法对尾流横向风速拟合的可行性和准确性。

提出了一种基于遗传算法进行频谱估计的相干多普勒测风激光雷达三维风场反演方法。该方法无需对视向风速进行计算,可以直接从多方位频谱密度中提取三维风场信息,能够提高弱信噪比情况下的数据反演精度。采用的遗传算法为针对相干激光雷达改进的遗传算法,能够准确、快速、并行地反演出风矢量解。对算法进行了仿真,结果显示,改进后的遗传算法在收敛速度以及全局寻优能力方面相对于传统遗传算法都有着明显提升,并且在低信噪比信号仿真对比中,此方法风场反演结果优于传统非线性最小二乘法反演结果。将该方法应用于实际雷达系统中,在激光雷达与探空气球实测数据对比中,两者水平风速均方根误差小于0.7 m/s,水平风向标准偏差小于6°,这些结果验证了风场反演结果的精确性。将采用所提方法得到的结果与实测数据最小二乘法风场反演结果进行对比,发现在当时的大气条件下,频谱估计法约有12.3%的探测距离的增大。仿真和实测数据对比结果充分证明了此方法反演三维风场的能力和有效性。

相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点, 已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号, 对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果, 自适应最优核时频分布具有运算量小, 交叉项抑制效果好, 时频聚集度高等优点。最后, 使用1.5 μm相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测, 将自适应最优核时频分布应用于实测数据, 与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明: 自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息, 3 km内距离分辨率为1.2 m, 3 km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性, 时间分辨率为1 s时其最远水平探测范围约在6 km。

为了解决非注入状态激光脉冲对非相干多普勒激光雷达测风结果可靠性的影响, 利用注入与非注入状态激光脉冲建立时间不同的原理, 设计和实现了一种脉冲激光种子注入状态检测器, 其时间测量精度为45ps, 测量时间范围为3.5ns~2500ns, 最高脉冲重复频率为1kHz。利用该检测器对某型号Nd∶YAG脉冲激光器进行了种子注入状态检测实验, 结果显示注入（非注入）状态脉冲建立平均时间为123.27ns（134.44ns）, 1.35h内非注入状态激光脉冲占总激光脉冲比例为8.54%。结果表明, 该脉冲激光种子注入状态检测器能够有效地检测出非注入状态的激光脉冲, 对于提高激光雷达测风可靠性具有潜在的价值。

研究宽带信噪比和有效功率谱宽度对最大似然(ML)法多普勒频率估计结果的影响，采用探测概率和正确估计频率标准差来描述ML 算法对仿真信号和实验数据的处理性能，并与周期图最大值(PM)法所得结果进行比较。经理论仿真和对中国科学院上海光学精密机械研究所1.5 μm 全光纤相干测风激光雷达实测数据的反演处理，结果表明,高谱宽度下，ML算法的正确估计频率标准差与相比PM 可降低0.5 MHz，达到90%的探测概率所需宽带信噪比ML 算法与PM 算法相比低2 dB。表明ML 算法的正确估计频率标准差能与PM 算法相比不高于1.1 MHz，探测概率高9%。要获得风速精度小于1 m/s同时探测概率在80%以上，所需宽带信噪比大于-14 dB。

在非相干多普勒测风激光雷达系统中，激光的线宽与频率的稳定性是影响测量结果准确性的两个重要因素。研制的激光雷达系统采用种子注入方法产生窄线宽脉冲激光，采用碘分子饱和吸收稳频的方法，利用VB语言基于PID算法编写仪器控制程序，将种子激光器的频率锁定在碘分子吸收线1 109线的高波数边缘上，长时间(>4 h)锁频的精度≤0.5 MHz，频率的长期稳定度为3.55×10^-9。设计了连续光测速系统，得出多普勒频移测得的实验值与实际斩波盘的速度值曲线，速度误差小于0.4 m/s。由此也说明，所设计的连续光测速系统可以对整个锁频系统进行校准。该实验也为测风激光雷达的建设提供指导意义。