相干激光雷达风场测量及数据反演方法研究

摘要

大气风场对于气候学和气象学的研究、数值天气预报、大气动力学的研究、环境监测、风能发电和军事航空安全等方面起着重要的作用。相干多普勒激光雷达技术具有高时空分辨率、风速测量精度、灵敏度高和对太阳背景光不敏感等优点，尤其适合在晴空下大气风场的探测，应用范围广泛，是近年来国内外风场测量的重要发展方向。本文对风场反演算法进行研究，利用上海光机所研制的相干多普勒激光雷达系统进行了风场测量试验研究，并对风场测量结果进行分析。
　　本文简单介绍了相干测风的相关基础理论，并对大气风场的视线风速提取算法和三维风场反演算法进行了研究，并根据激光雷达实测结果。对相关算法进行了优化。
　　本文简单介绍了本人所参加的上海光机所项目组研制的相干激光雷达系统，并开展了相应的定标工作:包括:激光中频、雷达系统零点和雷达测量盲区;并利用该雷达开展了一系列对比观测以及外场试验。
　　(1)开展了相干多普勒激光雷达与探空气球的对比实验，结果表明两者风速相关系数为0.93，平均风速偏差为0.64m/s，风向的相关系数为0.92，平均风向偏差为5.8°，验证了观测数据的可靠性。
　　(2)将研制的相干激光雷达与商用的测风激光雷达探测数据相对比，结果表明70m高度10min平均风向和风速的相关系数分别为0.99和0.98，100m高度两者的相关系数和70m的相同，验证了相干激光雷达探测性能。
　　(3)针对不同大气条件下相干激光雷达探测的风场结果进行描述。分析了海陆水平风场。在晴空天气下，大气风场存在较为明显的日变化。云随风移动发展，短时内在云层不同高度的三维风场会出现较大的变化。出现降水时，大气风场的变化较为复杂。在雾霾形成前期，大气开始分层，在空间上逐渐形成具有非常明显的风速和风向切变，对流很弱，对雾霾的进一步发展更有利。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 大气风场研究的应用需求

1．2 相干测风激光雷达国内外发展

1．3 主要研究内容

第二章 相干激光雷达测风理论

2．1 大气后向散射

2．2 相干探测原理

2．2．1 多普勒频移测速原理

2．2．2 激光雷达方程

2．2．3 相干探测原理

2．3 大气风场反演方法

2．3．1 相干测风激光雷达扫描模式

2．3．2 视线风速提取算法

2．3．3 三维风场反演算法

2．3．4 水平风场反演算法

2．4 小结

第三章 相干激光雷达系统

3．1 相干激光雷达系统结构

3．2 相干激光雷达系统及主要参数

3．3 相干激光雷达系统工作流程

3．4 小结

第四章 相干多普勒测风激光雷达验证实验研究

4．1 激光雷达系统参数定标

4．1．1 激光中频

4．1．2 雷达系统零点和盲区

4．2 相干激光雷达与探空气球对比验证实验

4．2．1 相干多普勒激光雷达探测结果与探空气球对比

4．2．2 相干多普勒激光雷达与探空气球最大最小风速对比

4．2．3 相干多普勒激光雷达与探空气球结果对比统计

4．2．4 误差分析

4．3 相干激光雷达与其他激光雷达对比验证

4．3．1 平均风向对比

4．3．2 平均风速对比

4．3．3 风速标准偏差

4．4 小结

第五章 相干激光雷达多种大气环境下大气风场探测

5．1 相干激光雷达水平风场探测

5．1．1 相干激光雷达探测陆面水平风场

5．1．2 相干激光雷达探测海面水平风场

5．2 不同天气条件下相干激光雷达的风场探测

5．2．1 相干激光雷达测量晴空大气风场

5．2．2 相干激光雷达测量少云或多云下大气风场

5．2．3 相干激光雷达测量阴雨降水天气下大气风场

5．2．4 相干激光雷达测量雾霾大气环境下风场

5．3 小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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