相干多普勒激光雷达数据反演方法和实验研究

大气三维风场测量在气象、环境和军事上具有重要应用。项目对连续相干激光雷达进行改造，实现一定距离的三维大气风场剖面实时测量。利用实际的大气参数，建立仿真模型，研究风速数据反演算法。在数据处理算法中，消除激光频率短期抖动引起的误差，为了提高信噪比对背景噪声进行校正，研究不同的功率谱中心频率提取算法，比较算法反演性能，选取合适的数据反演算法。进行相干激光雷达风速测量实验，对比其他观测手段获取的风速，对数据反演算法进行验证和改进,实现高精度反演大气风速剖面。开展相干激光雷达连续的风速观测实验，收集大量低空实时高精度风剖面数据，以满足相关领域的应用需求。

大气三维风场测量在气象和环境等领域具有重要应用。项目开展了全光纤相干测风激光雷达研究，解决了单频脉冲激光源、实时信号处理单元以及数据反演方法等关键技术难点，开展了激光雷达风速测量的外场验证试验。单频脉冲激光源，通过非线性抑制方法，提升了激光器输出功率。实时信号处理单元，采用基于FPGA的信号处理器，实现了大数据量的实时处理。数据反演方法，采用理论模拟结合实验数据，开展了激光雷达数据反演及其噪声校正方法研究，包括FFT频谱法、PPP算法、PM算法和ML最大概似法等，考虑实时信号处理要求最后选取了FFT频谱法。在发射激光能量40μJ，激光雷达望远镜口径100mm时，实现了水平风速测量最大探测距离4.6km，垂直风速测量最大探测距离2.6km，距离分辨率75m，风速测量精度小于0.5m/s。激光测风雷达将在航空气象安全、风能评估等领域得到重要应用。