1 南京信息工程大学 气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 南京 210044
大气风场是气象中十分关键的要素之一，星载多普勒测风激光雷达能够实现大范围、高精度、不间断的风场测量，对于数值天气预报精度提升、气候研究和环境保护都有重要的意义。星载测风激光雷达的研究自20世纪至今已经有近30余年，在这个过程中，Aeolus是目前唯一成功发射的星载测风卫星。文中从Aeolus计划的提出开始，回顾了Aeolus的有效载荷ALADIN原理样机的地面试验，机载原型研发和机载试验的过程；对卫星发射至今的主要数据验证活动以及结果进行了总结，阐述了Aeolus产品出现误差的原因；针对Aeolus数据产品的实际应用，总结了星载测风数据对于气象研究的重要性和必要性；结合Aeolus的方案进行优化和模拟仿真，展示了仿真的结果。最后分析了Aeolus的数据特点，结合我国星载测风研究进程和气象领域的测风需求，提出了几点可以参考的内容和需要提高的技术，同时分析了三种不同的星载测风体制，其中混合体制的星载测风激光雷达具有优势，可作为我国未来研制星载测风卫星的主要方向。
星载 Aeolus 风场测量 多普勒测风激光雷达 spaceborne Aeolus wind field measurement Doppler wind lidar 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220691
针对多普勒测风激光雷达探测大气回波信号微弱和噪声干扰大的问题, 提出了基于小波变换的半软阈值算法。首先, 对基于小波变换的半软阈值算法原理进行分析, 搭建了以马赫-曾德干涉仪作为鉴频器的非相干多普勒测风激光雷达系统; 然后, 采取硬阈值、软阈值和半软阈值3种算法对激光雷达探测回波信号进行实验。实验结果表明: 与其它阈值法相比, 半软阈值的信噪比(SNR)为4.933 5 dB, 均方根差(RMSE)为0.676 2, 去噪效果更优良, 有效地提高了大气风速探测精度。
激光雷达 多普勒测风 小波分析 小波阈值去噪 lidar Doppler wind wavelet analysis wavelet threshold denoising
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室，安徽 合肥 230026
3 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽 亳州 233527
4 北京遥测技术研究所，北京 100076
星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息，已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道，设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机，结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数，对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求，接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中，内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内，整体结构稳定可靠，集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线，对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真，仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响，分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时，会引起1 m/s的风速误差增量。
星载激光雷达 法布里-珀罗标准具 多普勒测风 双边缘检测 spaceborne lidar Fabry-Perot etalon Doppler wind measurement dual edge detection 红外与激光工程
2022, 51(9): 20210831
1 北京城市气象研究院, 北京 100089
2 北京市气象探测中心, 北京 100176
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。
多普勒测风激光雷达 L 波段探空 风速 风向 Doppler wind lidar L-band radiosonde wind speed wind direction 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 494
1 北京航空气象研究所, 北京 100085
2 青岛镭测创芯科技有限公司, 青岛 266101
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。
大气与海洋光学 沙尘过程监测 相干多普勒测风激光雷达 气溶胶消光系数 下垫面 atmospheric and ocean optics dust process detection coherent Doppler wind LiDAR aerosol extinction coefficient underlying surface
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院, 山东 青岛 266100
2 深圳市环境监测中心站, 广东 深圳 518049
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室, 北京 100029
5 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室, 山东 青岛 266237
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。
多普勒测风激光雷达 大气湍流 小波分解 湍流动能 Doppler wind lidar atmospheric turbulence wavelet decomposition turbulent kinetic energy 大气与环境光学学报
2021, 16(5): 383
1 中国海洋大学信息科学与工程学院, 海洋遥感研究所, 山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室, 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室, 山东 青岛 266237
3 青岛镭测创芯科技有限公司, 山东 青岛 266101
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。
多普勒测风激光雷达 风电机组 尾流效应 高斯模型拟合算法 Doppler wind lidar wind turbine wake effect Gaussian model fitting algorithm
李路 1,2,3,4庄鹏 1,2,3谢晨波 1,2,3王邦新 1,2,3邢昆明 1,2,3
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽 六安 237012
多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速，为提高风场探测精度，从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中，分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移，设计并研制了种子激光器温控箱，通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移，将激光频率稳定在±50 MHz以内；针对激光频率的短期抖动，采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统，通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温，控温精度达0.03 ℃，提高了稳频精度，将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内，满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统，对发射激光稳频装置进行系统验证，连续4组风场观测结果表明：系统探测高度为17 km，绝大部分方差在4 m/s以下，满足测风激光雷达测量指标的要求。
多普勒测风激光雷达 激光频率漂移 稳频 碘分子吸收池 温控 Doppler wind measurement lidar laser frequency drift frequency stabilization iodine molecular absorption cell temperature control 红外与激光工程
2021, 50(3): 20200289
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
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。
遥感 风场测量 相干多普勒测风激光雷达 遗传算法 频谱估计
