基于碘分子滤波器的测风激光雷达反演算法优化研究

摘要

测风激光雷达已经成为大气风场测量的最有效工具之一,风场反演算法直接影响激光雷达的测量精度和性能。为了提高风场测量精度,优化反演算法是一个重要途径。本文针对基于碘分子滤波器的测风激光雷达,在原有的风场反演算法的基础上,优化风廓线反演算法,并开展了双多普勒激光雷达反演水平风场的算法研究。
　　本文首先介绍了基于碘分子滤波器的测风激光雷达硬件系统以及大气后向散射信号的光谱组成;其次介绍了风速测量原理和目前使用的直接测量灵敏度的风廓线反演算法。论文主体部分是优化风廓线的反演算法和研究双多普勒激光雷达水平风场反演算法。
　　优化风廓线反演算法有三个部分:首先,分析了灵敏度非线性误差的影响因素,对比了不同气溶胶含量和高度下的误差,提出了利用查找表校正灵敏度非线性误差的方法,利用激光雷达与探空气球的同步观察数据证明该方法的有效性,两者的均方根误差从2.52m/s降低到2.31m/s,约8.3％;其次,少云天气下利用VAD方法从激光雷达径向风速 PPI数据反演风廓线时要考虑气溶胶的影响,本文将Fernald方法的反演气溶胶消光系数用于径向风速的质量控制,结果表明该方法可以提高少量云时的风廓线反演精度;最后,优化了目前原始数据融合算法,提高了低空的风场测量精度。
　　双多普勒激光雷达可以提高水平风场的测量精度,本文使用激光雷达多仰角PPI数据开展双多普勒激光雷达水平风场反演算法研究:首先,介绍了双多普勒激光雷达反演水平风场的原理和方法;其次,给出了水平风场反演结果并对结果进行了分析。
　　另外,根据激光雷达数据特点和风场参数的要求,将数据划分为三个等级便于数据管理和用户使用并根据实际的数据处理工作的需要,研究并开发了基于MATLAB GUI的激光雷达数据处理软件。

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1 前言

1.1 课题背景

1.2 国内外研究动态

1.3 论文结构及研究内容

2 基于碘分子滤波器的激光雷达探测理论

2.1 系统简介

2.2 大气散射

2.3 径向风速测量原理

2.4 直接测量灵敏度的原理和步骤

3 风廓线反演算法优化

3.1 灵敏度非线性误差校正

3.2 VAD 反演风廓线算法优化

3.3 数据融合算法优化

3.4 本章小结

4 双多普勒激光雷达反演水平风场算法研究

4.1 双多普勒激光雷达反演水平风场原理

4.2 双多普勒激光雷达反演水平风场算法

4.3 本章小结

5 风廓线数据产品及数据处理软件

5.1 风廓线数据产品

5.2 基于 MATLAB GUI 的数据处理软件

5.3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

致谢