中电科技集团 重庆声光电有限公司，重庆 401332
针对激光测风雷达回波信号极其微弱，直接快速傅里叶变换(FFT)后无法得到回波信号频域幅值的问题，该文提出了嵌入现场可编程门阵列(FPGA)的数字中频信号处理方法，有效地提取了回波信号频域幅值。激光测风雷达的回波信号是相干激光脉冲信号经过空气中气溶胶后向散射的信号，由于空气中气溶胶浓度小以及激光发射功率限制，回波信号微弱，首先将模拟回波信号经过中频放大器进行信号放大，再进入模数转换器(ADC)采样，然后采用补零FFT和FFT频谱累积等数字中频信号处理方法，提高微弱回波信号的信噪比，从而有效识别了回波信号中含有风速信息的频域幅值。结果表明，经过试验可得2 km内稳定的风速，精度可达0, 1 m/s。
激光测风雷达 相干 回波 输入功率 多普勒频移 频谱累计 coherent laser wind lidar coherent echo signal input power Doppler frequency shift spectrum accumulation
1 西南技术物理研究所，四川 成都 610041
2 通化师范学院 物理学院，吉林 通化 134002
脉冲相干激光测风雷达的信号处理通常采用固定长度距离门来划分时域信号，并对每个距离门做频谱计算得到风速度信息。固定距离门的时域信号划分存在中频信号的非整周期截断问题，导致频谱计算时出现频谱泄露而产生误差，使信噪比降低。文中提出一种基于整周期搜索的自适应距离门划分方法，距离门长度与中频信号频率自适应，可实现对信号的整周期分割，避免了频谱处理中的频谱泄漏问题，提高频率估计精度。采用加噪信号对两种处理方法进行仿真分析，结果表明：自适应距离门方法可实现距离门长度与中频信号的自适应，在信噪比小于1 dB时，该方法得到的中频估计误差是固定距离门方法的38%~62%。应用自适应距离门方法处理激光测风雷达系统获取的转盘和风场回波信号，与使用固定距离门方法的激光测风雷达测量结果进行对比。结果表明：自适应距离门划分方法对转盘速度测量的均方根误差为0.19 m/s，大气风速度测量的距离分辨率在7~11 m之间变化，均优于固定距离门方法，实现了激光测风雷达的距离分辨率和测量精度的提升。
激光测风雷达 整周期搜索 自适应距离门 信号处理 wind lidar full cycle search adaptive range-gate signal processing 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210187
中国电子科技集团公司第二十六研究所, 重庆 400060
该文理论分析了影响光纤声光调制器消光比的主要因素。通过采用双器件级联和电路延时可调方案, 得到了光脉冲上升时间和下降时间＜10 ns, 消光比＞100 dB, 脉冲利用率＞97%的高效超高消光比光纤声光调制器(FAOM)模块。采用该模块在激光测风雷达系统中实现了4 800 m的风速风向测量。结果表明,该文采用的设计方法在提高FAOM消光比的同时能够有效控制脉冲利用率, 对于基于激光相干探测的测量系统性能提高有一定的促进作用。
光纤声光调制器 消光比 激光测风雷达 fiber acousto-optic modulator extinction ratio wind lidar
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
1 Chengdu Southwest Institute of Technical Physics, Chengdu60225, China
2 College of Atmospheric Science, Chengdu University of Information Technology, Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu6105, China
介绍了低空风切变识别的研究情况，提出了一种基于激光测风雷达的机场低空风切变识别算法，针对性设计了重点监测区域和告警方式；并于2016年春季和2018年春夏季，在气候、地形复杂度不同的多个机场进行低空风切变监测试验，通过分别与国外某型激光测风雷达以及同时段航空器报告结果做对比，评估本文算法的切变识别能力。试验结果表明，本文算法可以有效监测到激光测风雷达探测范围内的低空风切变，命中率可达88%以上。
低空风切变 激光测风雷达 航空安全 low-level wind shear laser wind radar civil aviation safety
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光工程技术实验室, 上海 201800
4 中国科学院大学, 北京 100049
临近空间风场数据对飞行器的姿态控制和飞行安全具有重要意义。针对中国科学院上海光学精密机械研究所自行研制的可搭载于临近空间飞行器的直接探测多普勒激光测风雷达(DWL)原理样机,介绍了其工作原理、系统结构,并给出了相关的技术参数。对该DWL原理样机进行了地面自测试实验,并将反演结果与相干探测激光测风雷达(CDL)和探空气球的测量结果进行了对比。结果显示:该DWL原理样机反演的近地面的风速风向结果与CDL和探空气球的测量结果具有良好的一致性。在0.3~1.1 km的高度范围内,以CDL的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差(RMSE)为1.38 m/s,风向均方根误差为9°;在0~3 km的高度范围内,以探空气球的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差不大于2.1 m/s,风向均方根误差不大于10°。
遥感 激光测风雷达 多普勒频移 风场探测 数据对比
使用窄线宽激光源是相干激光测风雷达的特点之一, 为研究不同线宽光源对激光测风雷达探测性能的影响, 从理论分析了在相干长度内、外时光电流的频谱特性, 并使用了三种不同线宽的激光光源进行实际的测风试验。试验表明, 当探测距离在相干长度外时, 100 kHz光源信号幅度较1 kHz与10 kHz两种光源下降约30%, 且部分频段噪声幅度较大。因此, 在设计中近程激光测风雷达, 可考虑选用百kHz量级线宽光源, 而探测距离数千米甚至更远的中远程激光测风雷达, 可考虑选取几十千赫级线宽光源。
线宽 相位噪声 相干长度 激光测风雷达 linewidth phase noise coherent length wind lidar 红外与激光工程
2019, 48(4): 0406005
针对民航机场风切变探测与预警, 研制了一种三维激光测风雷达, 采用全光纤脉冲相干探测体制, 结合独特的二维光电扫描球结构, 以及新的下滑道扫描策略, 以实现下滑道迎头风与侧风切变的同时测量.2018年3月至11月, 利用该雷达在多种工作模式下对攀枝花机场上空及周边大气风场与风切变进行了探测试验.在3月至5月大风季节期间, 机组报告的风切变均成功被雷达探测.对一次典型个例进行分析, 验证了所研制的三维激光测风雷达在地理气候复杂的高原机场风切变探测的有效性.
激光测风雷达 低空风切变 民航机场 下滑道 侧风 迎头风 Wind lidar Low level wind shear Civil aviation airport Glide path Crosswind Headwind
为了精确测量3维大气风场的实时状态以应对低空风切变在飞行器起降过程中给飞行器带来的多种问题, 通过DBS四波束风场反演原理研制出一款小型3维激光测风雷达。对大气风场展开测风试验并获取风场数据, 并与其它标准测风设备的数据对比分析。结果表明, 雷达在晴天和阴天的天气状况下均可以实现对大气风场的有效测量, 风速均方根误差0.42m/s, 风向均方根误差5.33°。该雷达精准度高、稳定性好, 对风切变预警、中低空大气风场预报及飞行器飞行通道的风场测量具有重要作用。
激光技术 激光测风雷达 3维扫描 相干探测 多普勒 风场比对 laser technique wind lidar 3-D scanning coherent detection Doppler contrast of wind field
