車載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)性能優(yōu)化和風(fēng)場(chǎng)反演.pdf

1、Doppler測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)具有高時(shí)空分辨率和晴空探測(cè)等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為目前測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的最有效手段之一，它可以實(shí)時(shí)提供高精度的大氣風(fēng)場(chǎng)垂直廓線和三維風(fēng)場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)。為了將Doppler測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)推向業(yè)務(wù)化運(yùn)行和實(shí)際應(yīng)用，充分發(fā)揮其高時(shí)空分辨率測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)原有Doppler測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中存在的影響其測(cè)量性能的主要問題進(jìn)行了研究和解決，并對(duì)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演方法進(jìn)行了改進(jìn)和補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的業(yè)務(wù)化測(cè)量，為我國(guó)第一臺(tái)車載測(cè)風(fēng)激光雷

2、達(dá)的研制和業(yè)務(wù)化應(yīng)用作出了重要科學(xué)貢獻(xiàn)，并為測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)服務(wù)奧運(yùn)奠定了基礎(chǔ)。 本文研究和解決了非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的白天探測(cè)問題和影響測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)掃描測(cè)量的偏振比變化的問題；通過改進(jìn)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量和反演方法，提高了風(fēng)速反演精度；首次實(shí)現(xiàn)了測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)高精度、高時(shí)空分辨率海面風(fēng)場(chǎng)的反演，填補(bǔ)了其它測(cè)量?jī)x器的空白，并在2007年青島國(guó)際帆船賽(暨2008奧帆賽測(cè)試賽)期間得到了應(yīng)用和檢驗(yàn)。本文的具體科學(xué)貢獻(xiàn)如下： 1.

3、本文在分析非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)白天探測(cè)信噪比的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)的具體光學(xué)結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，采用匹配發(fā)散角與視場(chǎng)角，使用窄帶干涉濾光片以及利用光纖抑制近場(chǎng)光等方法，優(yōu)化了測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了白天探測(cè)，探測(cè)距離可以達(dá)到12 km。另外，在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差來源的基礎(chǔ)上，通過使用非偏振分光鏡代替原系統(tǒng)中的普通分光鏡，解決了測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)掃描測(cè)量時(shí)偏振比變化引入誤差的問題，基本消除了偏振引入的4-5 m/g的徑向風(fēng)速誤差，顯著提高了激

4、光雷達(dá)的掃描測(cè)量精度。 2.為提高測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的風(fēng)廓線測(cè)量精度，本文通過分析原有反演方法的各種誤差，提出了直接測(cè)量靈敏度的方法，消除了分子散射為主時(shí)大氣溫度變化和分子散射模型引入的風(fēng)速測(cè)量誤差，并針對(duì)氣溶膠散射為主時(shí)的靈敏度非線性問題，在直接測(cè)量靈敏度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了靈敏度的非線性校正，改進(jìn)了原有的風(fēng)速反演方法。并應(yīng)用于車載測(cè)光激光雷達(dá)的業(yè)務(wù)化測(cè)量。 3.針對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)的需求和奧運(yùn)會(huì)帆船比賽的需要，本丈進(jìn)行了測(cè)風(fēng)激光雷

5、達(dá)海面風(fēng)場(chǎng)反演方法的研究。制定了適于海面風(fēng)場(chǎng)反演的徑向風(fēng)速測(cè)量方法，采用徑向風(fēng)速VAD校正、水平風(fēng)速VAP反演算法和風(fēng)速高度校正方法，在2007年青島國(guó)際帆船賽(暨2008奧帆賽測(cè)試賽)期間首次獲得了空間分辨率為50 m和100 m，時(shí)間分辨率為2分鐘和10分鐘的激光雷達(dá)海面風(fēng)場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，與海面浮標(biāo)、梯度風(fēng)觀測(cè)塔的同步測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比誤差為風(fēng)速1.1 m/s、風(fēng)向20°。此外，論文還列舉了車載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)觀測(cè)到的海面風(fēng)場(chǎng)特殊現(xiàn)象，表明

6、了測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)用于小尺度天氣現(xiàn)象觀測(cè)和研究的潛力。風(fēng)速反演方法，并應(yīng)用于車載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的業(yè)務(wù)化測(cè)量。 4.考慮到大氣模型對(duì)激光雷達(dá)的系統(tǒng)性能和反演結(jié)果的影響，本文利用德國(guó)空間中心機(jī)載高光譜激光雷達(dá)的飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別使用高斯模型和S6模型反演了氣溶膠光學(xué)性質(zhì)參數(shù)，對(duì)比了不同模型對(duì)氣溶膠光學(xué)性質(zhì)反演結(jié)果的影響，并量化了高斯模型引入的誤差。結(jié)果表明，使用高斯模型時(shí)引入的誤差與系統(tǒng)誤差相當(dāng)，在進(jìn)行大氣參數(shù)反演和激光雷達(dá)性能分析時(shí)，應(yīng)