基于全微分和统计理论推导了星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差的解析表达式, 利用克拉默-拉奥误差下界代替Frehlich经验公式对风场的随机风速误差进行评估, 建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型.在NASA/NOAA提出的星载测风激光雷达系统设计指标框架下, 对风速及风向误差模型进行可行性分析,得到了总的径向随机误差随着探测距离的变化关系及水平风速区间的选取对随机误差的影响.同时, 为了计算合成采样误差, 改变不同的垂直分辨率和方向角取值, 对水平分量的采样误差进行对比分析.仿真结果表明, 合成的水平风速和风向的误差范围为0.8～3.2 m/s和2.38°～3.49°, 基本符合星载测风激光雷达的相关指标要求.

建立了基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达后向散射信号的理论模型,并利用最小二乘拟合方法结合数值迭代方法反演风速.该方法无需确切知道实际系统参数的大小和测量时的大气状况.风速反演的精度受迭代次数的影响,而选代初值的选取只会影响迭代的收敛速度.用Monte-Carlo方法模拟了低对流层的回波信号并进行了风速反演,验证了该风速反演方法的可行性.模拟的系统参数在0～5 km高度,由信号的散粒噪声引起的系统误差小于1 m/s.

从种子注入固体激光器的不稳定和多普勒频移检测干涉仪的光谱漂移出发,模拟和分析其对基于双边缘探测技术的直接探测多普勒激光雷达风速测量准确度的影响. 模拟结果显示,在5 min积分时间的30 000个脉冲内,如果达到风速准确度1 m/s,要求激光器出现多纵模的脉冲不能超过总脉冲个数的0.06%.在干涉仪光谱稳定方面,使用两级温控可以将干涉仪温度控制在±0.002℃,对应风速误差为±0.226 m/s.同时提出通过监视种子注入过程中的脉冲建立时间和干涉仪温度,可以在数据反演时,消除激光频率跳动和干涉仪光谱漂移对风速测量准确度的影响.

提出了基于菲佐干涉仪和多通道光电倍增管(PMT)阵列探测器组合的多普勒频移检测的方案, 适用于风速测量的直接探测多普勒激光雷达。首先介绍了工作原理, 再根据菲佐干涉仪光谱特征对频移检测用干涉仪进行了优化设计, 优化设计的菲佐干涉仪腔长150mm、平板反射率0.755。对提出的菲佐干涉仪和多通道光电倍增管阵列探测器组合的方案进行了数值模拟, 以分子散射作为背景噪声, 计算了该方法的风速测量误差。模拟结果表明, 设计的基于菲佐干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达, 在30 s的积分时间内、探测高度5 km以下, 风速测量误差可以达到0.56 m/s。

详细分析了基于菲佐(Fizeau)干涉仪测风激光雷达利用条纹重心法反演风速时的方法误差和系统噪声引起的测量误差。提出了方法误差的修正方法,推导出了测量误差理论公式。并用蒙特卡罗方法模拟了低对流层的回波信号,并对其进行条纹重心法风速反演。结果表明：方法误差和气溶胶与分子后向散射比有关,噪声引起的测量误差与信号强度和气溶胶与分子后向散射比有关。在0～5 km,高度采用条纹技术测量的风速误差小于1 m/s。