基于风廓线雷达回波谱重构数据获取大气湍流廓线的研究

Wind profilers radar detect the atmosphere in the clear sky, and measure atmospheric wind field and turbulence on the basis of scattering of atmospheric turbulence on the electromagnetic wave, echo signal includes abundant turbulent information with various clutter, basically such as features clutter, intermittence clutter, radio frequency interference etc, the echo signal of turbulence is mixed up with various clutter, and must be distinguished using process of suppressing clutter. In the project, the echo signal of turbulence is identified effectively from echo spectrum according to fuzzy logic method, various clutter interference are eliminated, and echo spectrum data are reconstructed. The profile of atmospheric turbulence will be obtained according to echo power method and spectrum width method; we will measure atmospheric temperature, pressure, specific humidity, wind speed and wind direction and the atmospheric structure constant of refractive index Cn2 for contrast analysis, using sounding of micro-thermal meter and microwave radiometer, the feasibility and reliability of obtaining the profile of atmospheric turbulence based on reconstructed echo spectrum data will be validated. Thus the long-term and continuous atmospheric turbulence data will be provided for research on laser beam propagation in turbulent atmosphere, and also valuable reference will be provided for conveniently obtaining the profile of atmospheric turbulence in the future.

风廓线雷达以晴空大气为探测对象，利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场的探测，回波信号中既含有丰富的湍流信息，但也伴有多种杂波，如树木、建筑物等地物杂波、间隙性杂波和无线电频率干扰等。湍流回波信号夹杂在各种杂波中,必须通过杂波抑制处理进行湍流信号的识别。本项目主要利用模糊逻辑识别方法对风廓线雷达回波功率谱进行湍流回波信号的有效提取，消除各种杂波干扰，重新构建回波谱数据，依据回波功率法和谱宽法，获取大气湍流的高度分布廓线；同时利用温度脉动探空仪和微波辐射计对大气折射率结构常数Cn2、大气温度、气压、风速风向和大气湿度等大气参数进行实地同步探测和对比分析，验证利用回波谱重构数据获取大气湍流廓线的可行性和可靠性，从而为激光大气传输研究提供长期连续的大气湍流数据资料，也为将来更加便捷的获取大气湍流廓线提供有价值的参考。

大气湍流是大气传输研究中非常重要的问题，大气湍流研究在大气科学中的地位与意义日益突出。大气湍流高度分布廓线的探测一直是困扰大气湍流研究的重要问题，风廓线雷达利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场的探测，回波信号中含有丰富的湍流信息，为获取大气湍流廓线提供了直接条件，但湍流回波信号夹杂在各种杂波中,必须通过杂波抑制处理进行湍流信号的识别。本项目提出利用模糊逻辑识别方法对风廓线雷达回波功率谱进行湍流回波信号的有效提取，消除各种杂波干扰，重新构建回波谱数据，依据回波功率法和谱宽法，获取大气湍流的高度分布廓线，有效地弥补探空式测量大气湍流廓线的局限性。通过项目研究，根据回波信号中湍流信号与杂波信号在谱连续性、谱强度、谱位置和谱宽方面的差异，利用模糊逻辑识别方法实现了对湍流回波的有效提取，并得到回波谱重构数据；同时依据回波功率法和谱宽法，反演得到了大气湍流廓线，量级在1E-18~1E-13之间，符合实际情况，证明了反演方法的可行性。利用探空式温度脉动仪测量大气折射率结构常数Cn2高度分布廓线，进行对比分析和验证，发现实测廓线与反演廓线具有相对一致的高度变化特征，在部分高度两者有重叠，随高度的变化具有不同程度的波动起伏，由于测量原理和反演精度的差异，两者存在一定的偏差，目前已对部分参数的误差范围进行了初步分析，为进一步的误差分析打下基础，不断提高反演大气光学湍流强度的可靠性。从而为激光大气传输研究提供长期连续的大气湍流数据资料，也为将来更加便捷的获取大气湍流廓线提供了有价值的参考。