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多普勒测风激光雷达是一种有效的具有高时空分辨率的遥感测风仪器。然而，由于雨滴反射的干扰信号，在雨天条件下进行精确的风廓线测量是一个挑战，但是这也为探测降雨提供了一种可能。在这项工作中，一台垂直指向的1.5 μm全光纤相干多普勒激光雷达被应用于风和雨的同时探测。由于相干多普勒激光雷达能够进行精确的频谱测量，因此在下雨天，它可以同时检测到气溶胶和雨滴的回波信号。具有速度差异的气溶胶和雨滴的回波信号会导致多普勒频谱出现两个峰值，从而可以根据频谱宽度来识别降雨事件。通过双高斯模型拟合多普勒频谱，可以获得两个速度，分别为风速和雨速。与微雨雷达结果的对比验证了多普勒激光雷达探测降雨的能力，同时也降低了多普勒激光雷达在雨天条件下风速的错误探测概率。

以单频-线性频率调制连续波(S-LFMCW)激光作为发射信号,提出了一种基于卡尔曼滤波的高精度相干激光测距方法。对回波信号与本振信号进行拍频测量,获得了频差,通过模数转换和数字信号处理,利用频差信号解算出目标的距离和速度。最后采用卡尔曼滤波算法对测量值进行数据融合,获得了高精度的目标距离估计值。实验结果表明,所提方法适用于大范围动态相干测距激光雷达系统,系统的有效测距范围为8 m~2.7 km,测距精度在0.1 m以内。

相干测风激光雷达采用外差探测方式,其后向散射信号经本振光放大,信噪比理论上可达到量子极限,具有高时空分辨、高精度的特点。相干测风激光雷达广泛应用于测量风切变、大气湍流、飞机尾流、阵风以及重力波等。目前,国内外相继开展了相干测风激光雷达的研究。介绍了相干测风激光雷达的发展历史,详细介绍了各波段相干测风激光雷达的最新研究进展,并对相干测风激光雷达的发展趋势进行了简要总结。

近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备, 可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 μm波段, 望远镜直径50 mm, 时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比, 验证了系统测量距离达到5 km。之后, 通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980, 标准差为0.235 m/s, 风向数据相关系数达0.993, 标准差为3.105°。表明该相干激光雷达具有优良的性能, 可以应用于大气边界层内的风场探测。

针对差分吸收相干激光雷达在 CO2浓度反演时对信号的高信噪比需求，研究了一种基于 Golay脉冲编码的差分吸收相干激光雷达及其解码方法，以改善系统信噪比，降低浓度反演误差。分析了采用脉冲编码技术对传统大气后向散射信号相干探测信噪比的编码增益，研究了编码增益随本振光功率、编码长度和 3 dB耦合器分束比的变化规律，本振光功率越高、分束比偏离 50%越多，则编码增益越低，且在实际系统中，存在最优的编码长度。当本振光逐渐增强时，热噪声对系统的影响逐渐降低，相干探测系统存在最优的本振光功率，该功率与回波无关仅与系统的噪声水平有关。脉冲编码后最优本振光功率相对于单脉冲探测时下降，但其探测信噪比仍优于单脉冲探测，当 3 dB耦合器分束比为 0.495时，最优本振光功率为 0.93 mW。脉冲编码后，系统对 CO2的有效探测距离增加，且在 104～1010范围内进行脉冲积累时，相较于原系统距离增长率大于 15%。

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。

针对相干激光雷达远场回波信号信噪比低,提取困难的问题,提出了脉冲编码技术,以改善系统信噪比,增大雷达探测距离。研究了相干激光雷达系统中Golay码的编码和解码原理,理论分析了采用脉冲编码技术对系统信噪比的提升效果。基于大气分层模型仿真生成了相干激光雷达时域回波信号。基于Golay码解码原理得到了脉冲编码系统的风速结果,仿真结果表明,时间分辨率为1 s,距离分辨率为60 m的情况下,使用Golay编码脉冲作为相干激光雷达的探测脉冲,在0~5.3 km范围,风速误差小于3 m·s ^-1。在相同的测量时间内,相比于传统脉冲相干激光雷达,基于脉冲编码技术的相干激光雷达将探测距离提高了2.5 km,提高了远场弱信号的信噪比。

基于Mie散射理论,给出了利用半解析蒙特卡罗法模拟气溶胶粒子对水平线偏振激光后向散射的主要过程;基于气溶胶和云的光学特性库,选择了4种典型环境、5种典型气溶胶组分和3种湿度条件,分别计算了1.5 μm和2.0 μm波段处后向散射回波的退偏度、偏振度和回波光子数,得到了后向散射光的偏振特性随各组分粒径的变化规律以及各气溶胶环境的后向散射激光回波特性,并分析了不同环境下达到相同探测性能时所需的激光功率比,为远距离高精度相干激光雷达系统的设计和分析提供了参考。

利用脉冲能量为110 μJ、重复频率为20 kHz及脉冲宽度为300 ns的光纤激光器设计了一套工作波长为1.55 μm的相干测风激光雷达，给出了系统的性能参数。根据后向传播本振的原理计算出当望远镜对发射高斯光束的截断比为最优值0.823 时，激光雷达的天线效率达到最大值0.422。在最优截断比条件下分析了望远镜口径对相干激光雷达载噪比的影响，优化了望远镜设计。从理论上计算出激光雷达的探测性能指标：探测距离大于3 km，风速测量范围为±62 m/s，距离分辨率为84 m，风速测量精度优于0.1 m/s，时间分辨率为0.5 s。

针对“双频双调制双本振(DFDMDL)”大测距动态范围高重频相干测距测速体制, 分析了该体制信号调制需要考虑的调频线性度、发射光和本振光信号的“幅-频”特性、对称三角线性调频(STLFM)信号的周期稳定性等因素, 通过参数的对比、仿真及实测, 提出了适合本系统的信号调制方案．实测结果表明, 采用声光移频器(AOFS)外调制提供高线性度STLFM信号, 直接数字频率合成(DDS)驱动AOFS, 通过DAC调节射频驱动源功率补偿AOFS非平坦的“幅-频”特性, 以及基于FPGA的高精度时间测量系统监测STLFM信号周期及测量多个STLFM周期间的时间差, 可以使该“双频双调制双本振”体制具有较高的距离测量精度, 并为通过脉冲积累减小发射能量的途径提供了可能．