在中国南部热带海域，基于超声风速仪阵列测量的大气三维风速可计算得到速度结构常数Cv2，结合折射率梯度可计算得到折射率结构常数Cn2，其中温度和湿度对Cn2的影响是通过折射率梯度体现。将超声单点虚温估算方法的计算结果作为标定，与本研究的超声风速仪阵列估算方法的144次计算结果进行相关性分析，得到平均相关系数为0.85，最高可达0.99，最低为0.71；通过误差分析，可得平均ΔlgCn2为0.3。研究表明：超声风速仪阵列能够捕捉高频光学湍流效应的变化情况，利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度可以从风速、湿度、温度等不同方面分析湍流效应，实现在无人值守情况下对光学湍流的连续、长期的全天候观测。

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。

风速的监测在气象预测、飞行器的安全保障及风力资源的勘测等方面都有着十分重要的应用。采用1.55 μm窄线宽全光纤激光雷达 开展全光纤相干多普勒激光测风技术的研究,建立一套由电机带动转盘转动模拟风速测量装置,利用散射信号产生多普勒频移来校 准系统的测量准确性。系统采用的1.55 μm全光纤脉冲激光器单脉冲能量为10 μJ、脉冲重复频率为20 kHz、脉宽为200 ns, 模拟风速与实际测量结果具有很好的一致性。

针对高重复频率相干测风激光雷达中风速反演时数据量大、计算量大、实时性要求高等问题提出了基于多核数字信号处理器(DSP)的并行风速反演算法。该算法的核心思想是, 利用高速数据处理板卡DSPC-8681上的4颗8核DSP处理器采用单指令多数据流的方式进行并行计算和同步, 使用最大似然离散谱峰值计算出视向风速。在激光脉冲重复频率为10 kHz的条件下实现了相干测风激光雷达中实时的风速反演。通过实验验证, 激光雷达的视向探测距离达到3 600 m, 距离分辨率为60 m, 风速测量范围为±30 m/s, 时间分辨率为1 s, 转动圆盘校准的速度测量精度优于0.48 m/s。

研究了基于激光条纹成像的风速测量技术，根据Fizeau干涉仪透射率函数和大气中的分子散射光谱特征对其优化设计，得到了一套基于任意光束入射的Fizeau干涉仪的系统参数。优化设计结果为Fizeau干涉仪腔长12 mm，平板反射率0.65。最后模拟了该Fizeau干涉仪对分子和气溶胶的联合测量能力。模拟仿真结果表明，在20 mJ、100 Hz重复频率和接收口径200 mm 条件下，风速测量误差为1 m/s，探测高度为17.8 km。

基于光纤Mach-Zehnder干涉仪双边缘检测技术, 提出并设计了一套全光纤非相干测风激光雷达系统, 对多普勒频移的提取和风速反演算法进行了理论分析, 针对大气分子散射信号的特点, 对光纤Mach-Zehnder鉴频系统进行了优化设计.应用美国标准大气模型, 对系统的灵敏度、信噪比以及测量误差进行了数值仿真.仿真结果表明, 对532 nm波长的地基分子散射测风激光雷达, 当垂直距离分辨率为300 m, 进行1 000次激光脉冲累计平均后, 得到径向探测距离达到20 km, 径向风速在±100 m/s的范围内时, 径向风速误差小于1.4 m/s, 说明此系统可以进行远距离大尺度风速的测量, 为新型小型化测风激光雷达的开发及研制提供了一种可行的技术方案.

相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速.基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然(ML)离散谱峰值(DSP)风速估计算法的克拉美-罗下界(CRLB)与由Fisher信息矩阵论得到的精确CRLB之间的关系.其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数.分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响.计算仿真结果表明:ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为-20 dB,100发激光脉冲累积和信噪比为-30 dB,10 000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中“坏”的估计值所占的比例都为0,“好”的估计值的标准差分别为0.62 m/s和0.50 m/s.

光传播路径横向风速风向的准确测量, 对于科学研究和工程应用都具有重要意义。 哈特曼传感器用来接收光波大气传输前向散射的波前和光强信息, 提出利用哈特曼传感器接收的前向散射光强闪烁相关信息, 实现路径横向风速廓线测量的方法。 理论推导给出了光传播路径上横向风速分段反演的公式。 根据不同的子孔径间距路径权重函数的差异, 针对不同子孔径间距对路径不同位置的敏感性, 分析了如何合理的选取光传播路径横向风速廓线的权重函数。 利用哈特曼传感器开展了水平1 000 m光传输路径横向风速的探测实验。 初步研究结果表明, 哈特曼传感器测量的路径横向平均风速与接收端附近的风速计测量的结果具有较好的一致性; 得到的两段路径横向风速的分布在随时间的变化趋势上一致性较好, 特殊的下垫面布局使得靠近光源的第一段路径与靠近探测器的第二段路径的平均横向风速分别为1.273和0.952 m·s-1。 将第二段横向风速与路径横向平均风速的测量结果进行了相关性分析, 具有一致的变化趋势, 两者的相关系数达0.86。

采用IFA-300热线风速仪对由成都光电研究所研制的压缩气体驱动的标准型风刀在不同压强下刀口处的风速进行了 标定,并对风刀刀口处的流场特性进行了研究,实验结果表明,风刀刀口处的风速与压缩气体的压强成线性关系,压强 越大,刀口处的风速也越大;风刀刀口处流场的稳定性和均匀性与流场的具体位置有关,风刀风道中心位置的流 场流速最大,不稳定度最低,大约为2%;在风刀风道的边缘位置,流场流速最小,不稳定度最高,不稳定度接近28%左右。

多普勒激光雷达在大气风场探测中已经得到广泛应用。相比于Fabry-Perot(F-P)干涉仪、 Fizeau干涉仪, Mach-Zehnder (M-Z)干涉仪作为鉴频器具有透过率高、探测谱的范围宽、能进行视场展宽而获得大光通量、 所成直条纹可以与CCD匹配等优点,同时也可以实现大的风速探测范围,弥补现有直接探测多普勒测风激光雷 达探测范围较小,探测灵敏度的非线性问题。分析了基于M-Z干涉仪条纹成像技术的激光雷达大气风场探测 原理,对干涉仪鉴频系统进行了参数优化设计及仿真分析,通过设定实验参数,获得仿真结果,进行数据反演, 得到风速值与理论结果基本一致。