1 巢湖学院电子工程学院， 安徽 合肥238000
2 安徽省气象台，安徽 合肥230031
风场对于天气形势的演变和预报至关重要。基于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）中波通道资料和ERA5风场资料，采用LightGBM进行大气三维风场反演研究。首先，构建模型特征变量。GIIRS通道最优选择采用二步特征选择法：（1）建立GIIRS通道黑名单；（2）采用置换特征重要性（Permutation Feature Importance，PFI）方法选择特征变量，在形成通道最优子集的基础上，构建含有时空信息的特征变量。其次，构建基于LightGBM的三维风场反演方法。最后，基于台风“利奇马”期间的GIIRS加密资料开展了LightGBM超参数优化和相关反演试验。结果表明，相对于ERA5风场资料，测试集中风场U和V分量的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）分别小于1 m/s和15 m/s。本文中的二步特征选择法能够实现GIIRS通道的动态最优选择。
大气风场反演 特征选择 台风“利奇马” FY-4A/GIIRS FY-4A/GIIRS atmospheric wind field retrieval feature selection LightGBM LightGBM Typhoon “Lekima”
1 烟台大学物理与电子信息学院, 山东烟台 264005
2 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
3 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西西安 710119
4 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院, 湖北武汉 430071
星载长波红外气辉成像干涉仪可实现对临近空间平流层区域大气风场信息的遥感观测。然而, 长波红外对温度更加敏感, 因此会给干涉仪引入更多的误差来源。鉴于此, 借鉴平流层风场干涉仪(StratosphericWindInterferometerforTransport, SWIFT)的设计参数, 在临边观测正演仿真的基础上, 开展了关键部件的相位热漂移研究及背景辐射的热不稳定分析, 给出了仪器温度变化引起的风场误差, 提出了通过校准泡对光程差相位的监测减小测风误差的方案。不确定度分析表明, 如果 SWIFT仪器关键部件的温度变化率控制在 10-3 K/s, Michelson干涉仪和 F-P滤光片因热漂移产生的测风误差分别为 37m/s和 20m/s。当校准泡对光程差相位的监测精度达到 10-3rad时, 热漂移引入的误差可降至 1m/s以内。该研究将为星载全天时临近空间长波红外测风干涉仪的设计及研制提供重要的理论指导。
大气风场 临近空间 Michelson干涉仪 卫星遥感 热漂移 atmosphericwind near-space Michelsoninterferometer satelliteremotesensing thermaldrift
1 盐城师范学院 物理与电子工程学院 江苏省智能光电器件与测控工程研究中心，江苏 盐城 224007
2 江苏省大气探测激光雷达技术军民融合创新平台，江苏 盐城 224007
3 中国科学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
提出了基于双法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模米散射多普勒激光雷达技术，分析了探测原理，并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域，由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数EV随匹配误差的增大而迅速增大；频率匹配误差不变时，EV随风速增大而缓慢减小；当频率匹配误差小于10 MHz时，EV将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数，对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明：在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内，当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时，系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s；在无云条件下，系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。
激光雷达 大气风场 多纵模脉冲激光 法布里-珀罗干涉仪 米散射 lidar atmospheric wind multi-mode pulse laser Fabry-Perot interferometer Mie scattering 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220762
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
为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场，搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理，使用转台式探测结构，通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪，确保测风的精度。实验结果表明，该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好，频率跟踪的范围为±50 MHz，可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测，在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后，随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km，夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比，风速误差均小于10 m/s，其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%，探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致，误差范围在10°~20°之间，在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析，结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。
直接测风激光雷达 大气风场 法布里-珀罗干涉仪 瑞利散射 direct wind lidar atmosphere wind field Fabry-Perot interferometer Rayleigh scattering 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220412
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 北京应用气象研究所，北京 100029
4 国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）中国气象局空间天气重点开放实验室，北京 100081
5 中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074
6 国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
7 中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室，北京 100088
大气风场是表征整个地球大气系统动力学特征的重要参数，也是气象预报、空间天气、气候学等领域业务工作和科学研究必需的基础数据。被动光学遥感是大气风场测量领域的主要技术手段之一。本文综述了基于大气移动目标监测和大气光谱多普勒频移探测的两类天基被动光学大气风场测量技术的研究进展，主要介绍了云导风、红外高光谱水汽示踪、测风干涉仪和多普勒调制气体相关4种风场测量技术的基础物理原理和风速反演基本方法，根据每种星载被动光学测风技术体制分类及特点，介绍了代表性风场探测载荷技术研究进展及应用情况，探讨了星载被动光学大气风场探测技术的未来发展趋势。
大气光学 大气风场 云导风 红外高光谱 测风干涉仪 多普勒调制气体相关
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 烟台大学光电信息科学技术学院，山东 烟台 264003
多普勒差分干涉仪基于一种新型中高层大气风场探测系统，通过计算干涉图相位变化量反演观测目标源光谱的多普勒频移，实现大气风场测量。基准相位作为确定风场多普勒频移量的必要参数，其稳定性是保证风速测量精度的核心指标之一。针对非对称量相位漂移、相位斜率漂移和干涉图相位漂移这三项影响干涉仪基准相位的因素开展研究，基于多普勒差分干涉原理对其相位热漂移开展了理论分析，提出了各项因素相位漂移量的分离测试方法，并基于近红外多普勒差分干涉仪开展了实验测试。环境温度波动为0.27 ℃时，相位斜率变化量为670 mrad/m，干涉图相位漂移波动范围为8.9 mrad；修正干涉图相位漂移后，非对称量相位漂移约为4.7 mrad，均方根为0.98 mrad，等效风速测量误差为0.81 m/s。通过温度拉偏实验，得到非对称量相位漂移随温度的变化率为-493 mrad/℃的结论。
大气光学 中高层大气风场探测 多普勒差分干涉仪 相位稳定性 测试与分析 光学学报
2022, 42(18): 1801003
探测和研究大气风场是认知中高层大气结构的最重要的手段之一，其中流星雷达是一种非常好的观测大气风场的手段。为了更好地了解中纬中间层-低热层(MLT)区域大气风场的特征，本文利用 2016年北京流星雷达反演的风场数据进行研究。首先研究了大气平均风场随时间和高度的变化特征，得出 1~3月北京上空 MLT区域的纬向风均以西风为主，经向风南风与北风交替显著，但仍以北风为主导的结论。继而对于 90 km处的大气潮汐波进行研究，通过 Lomb-Scargle功率谱方法和谐波拟合得出了大气潮汐随时间的变动规律，即中纬地区大气水平风场受到的潮汐波影响以半日潮汐为主、周日潮汐次之。
流星雷达 大气风场 大气潮汐 Lomb-Scargle功率谱方法 谐波拟合 meteor radar atmospheric wind field atmospheric tide Lomb-Scargle power spectrum method harmonic fitting 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(7): 653
舰船航行时庞大躯身及上层建筑会对船体周边的大气流场分布产生较大的干扰, 应用激光测风雷达获取舰船周边大气流场高时空分辨信息, 能提升舰船航空飞行器在高海况条件下的安全起降能力。对舰船载激光测风雷达在海洋环境工作应用模式及数据需求等进行分析, 并介绍了船载激光测风雷达工作原理及国内外发展情况, 分析了雷达的相关关键技术, 最后对船载3维高时空分辨风场测量技术的发展趋势进行了展望。
激光技术 激光测风雷达 大气风场测量 舰船 laser technique wind lidar measurement of atmospheric wind field warship
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，合肥23003
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，合肥3006
3 先进激光技术安徽省实验室，合肥2007
4 皖西学院 机械与车辆工程学院，安徽六安237012
研制了一台基于法布里-珀罗标准具的多普勒测风激光雷达系统，发射激光波长为532 nm，采用300 mm口径望远镜接收回波信号，能够同时探测从边界层到对流层顶的大气风场.为提高法布里-珀罗标准具透过率曲线扫描的准确度，在接收机光路严格装调基础上，通过脉冲光直接对三通道法布里-珀罗标准具频谱进行扫描，通过高速采集卡采集脉冲信号并进行拟合积分得到准确的脉冲信号强度，采用非线性最小二乘法拟合得到FPI-1、FPI-2和FPI-L的谱宽分别为1.20 GHz、1.22 GHz、1.18 GHz，峰值透过率分别为0.817、0.807、0.768，FPI-1和FPI-2及FPI-1和FPI-L的峰峰间隔分别为3.91 GHz和1.25 GHz.在风场观测试验中，通过多次测量同一方向上径向风速得到，91%的测量方差小于4 m/s，在水平风场观测中，该系统白天探测高度为13 km，夜间可达17 km，并与探空气球进行对比，从1.5 km至10 km范围内二者吻合较好.
多普勒激光雷达 法布里-珀罗标准具 透过率曲线校准 大气风场 探空气球 Doppler lidar Fabry-Perot etalon Transmission curve calibration Atmospheric wind field Sounding balloon
