报道了基于光纤-固体混合放大的百纳秒脉冲宽度单频大能量1064 nm激光光源的研究工作。采用1064 nm分布反馈（DFB）半导体激光器作为单频连续种子光光源，采用声光调制器将种子光整形为脉冲宽度约为149.0 ns的洛伦兹波形脉冲光，重复频率为60 Hz，经过级联的全保偏光纤放大器放大后，获得单脉冲能量约为2.1 μJ、脉冲宽度约为216.7 ns的脉冲光输出。固体放大部分采用激光二极管（LD）端面抽运的Nd∶YVO₄晶体作为高增益的前放大器进行双程放大，采用LD单侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为预放大器进行双程放大，采用两级LD双侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为功率放大器，最终获得了单脉冲能量为151.4 mJ、脉冲宽度约为267.8 ns的激光输出。采用光学外差法对输出脉冲激光的线宽进行了测试，线宽约为14.2 MHz。研究结果为星载相干测风激光雷达采用1.06 μm的激光光源提供了新的技术路线。

为了评估相干测风激光雷达在不同扫描模式下探测效能与气象要素之间的联系, 使用2020-08~2021-07期间广汉机场相干测风激光雷达探测数据进行了分析验证。结果表明, 方位角测量模式扫描方式下, 探测距离在3 km之后, 探测效能线性下降,90°扫描时, 500 m后探测效能开始线性下降; 总体探测效能在11月最高, 7月最低; 11月至次年7月呈下降趋势, 7~11月呈上升趋势; 在日落后至日出前的探测效能较低, 在午间探测效能最高; 夏秋季节, 激光雷达探测效能与PM2.5质量浓度呈现正相关, 与降雨量的对数呈负相关。该研究为机场激光雷达识别低空风切变准确度提供了重要的基础保障。

星载测风激光雷达具有高精度、高垂直分辨率、全球覆盖等特点，是获取全球风场的有效手段。聚焦于米散射通道测风模式，对冰云与气溶胶同时存在的较复杂场景实施星载激光雷达测风的仿真模拟。基于菲佐干涉仪的测风原理构建了一套包含6个子模块的正演模型，以大气激光多普勒雷达（ALADIN）仪器参数作为输入值，模拟了典型场景下的探测信号，并结合反演分析了测风精度水平。结果发现，云层和气溶胶的回波能够增强探测器获取信号的信噪比，从而提升反演精度，将风速误差控制在±1.2 m/s范围内；但当云层冰水含量较大时，由于衰减作用使得云层下方信噪比削弱，从而增大反演风速误差，部分区域甚至无法实施有效探测。另外，在采用重心法反演风速时，可通过增加累积电荷耦合器件（ACCD）探测器通道数来减小风速振荡误差。上述研究可为设计和改进星载测风技术提供参考。

星载相干测风激光雷达是获取全球三维风场的有效手段。理论分析了相干测风激光雷达在星载平台下的风场矢量反演方法, 并基于大气分层时域信号理论模型建立了星载相干测风激光雷达仿真系统, 对设计的三视向探测方案的性能进行仿真评估。经过初步仿真验证, 当轨道高度为270km, 天底角为35°时, 可以实现沿轨分辨率为11.15km的风廓线反演; 水平风速误差为0.52m/s, 水平风向误差为0.19°。

根据相干测风激光雷达实际探测光路的传输过程和大气分层理论,建立了相干测风激光雷达的全流程系统仿真模型。基于现有系统参数,分别在常风速模型和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真模拟了高脉冲能量-低脉冲重复率(HPE-LPRF)和低脉冲能量-高脉冲重复率(LPE-HPRF)两种系统的探测过程。通过对比反演风速值的均方误差,分析两种系统的探测性能。仿真结果表明:仿真模型给出的系统信噪比与理论值一致;信号的非相干累加平均处理提高了风速测量精度;非相干累加时间为0.1 s时,在常风速模型和NASA阵风模型下,LPE-HPRF探测系统风速的均方误差分别为0.75 m/s和1.03 m/s,均优于HPE-LPRF探测系统(0.93 m/s和1.25 m/s)。

大气风场的测量在环境、航空、航天等领域具有重要的应用价值。目前对于近距离大气风场的报道较少, 而传统脉冲激光测风系统往往存在着低空盲区,不能满足对近距离低空风场的测量。采用连续激光 光源设计并建立了一套短距测风系统,实现了近距离风场信息的测量,与测风仪对比同时刻实验测量结果 误差不超过3%。对研制的连续激光测风系统结合适当的扫描方式进行组装,可以为短距风场的实际测量服务。

大气风场的测量对于全球气候变化、海上暴风探测、日常天气预报精度,乃至国家**安全具有重要意义。天基相干测风雷达以其高时-空分辨率、高灵敏度、实时探测、体积小等优点,受到广泛关注。大多数航天器都存在微振动扰动源,会对相干测风激光雷达的信噪比有一定影响。本文在对相干测风激光雷达系统原理分析的基础上,以某型号微振动实测数据为样本,分析了卫星微振动对相干测风激光雷达的信噪比的影响。实验结果表明:卫星微振动对于相干测风激光雷达的信噪比有一定影响,在失配角为3.77 μrad时,信噪比在-1.5 dB~1.36 dB之间浮动,相对来说影响较弱。从微振动的角度来讲,某卫星平台能够满足相干测风激光雷达的探测要求。

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。

相干测风激光雷达扫描测量模式下使用速度方位显示(VAD)方法反演水平风场时, 若不进行质量控制, 会使拟合数据精度大幅降低。基于最小二乘VAD拟合算法, 通过分析相干测风激光雷达扫描测量模式中的多种误差源, 设置了信噪比、数据残差、扫描区间有效数据、数据有效率四个判据对参与拟合的数据质量进行控制, 进而提出了基于以上判据的VAD逐级拟合质量控制方案, 设计了数据质量控制流程, 并对该方法进行了实验验证。通过对2 955组10 min平均激光雷达测风数据与高精度风杯数据进行对比分析, 结果表明: 经VAD逐级拟合质量控制流程后, 风速均方根偏差从0.97 m/s降低到0.54 m/s, 比对偏差降低约44%, 风向均方根偏差从7.47°降低到5.55°, 比对偏差降低约26%。