基于脉冲光束质量因子激光雷达探测低空大气湍流及风切变的基础及方法研究

In this project, for line-of-sight propagation and double-pass propagation of pulsed laser beams including short- and ultrashort pulsed beams in atmospheric turbulence, we first investigate the beam quality factor (M2 factor) and its relative spatiotemporal properties, and the spectrum and so forth, respectively. We investigate secondly how to retrieve the characteristic parameters of turbulence and the average wind velocity and the parameters of velocity fluctuations from the M2 factor and the temporal frequency spectrum of the beam parameters fluctuations at the receiver plane, and analyze rationality and validity of the retrieval algorithm considering the characteristics of low-altitude air turbulence and windshear. Finally, based on the previous works and combined the parameters of the pulsed beam in Lidar Windshear Alert System (LIWAS) at the Hong Kong International Airport (HKIA), we will provide the improved technical scheme for LIWAS and the preliminary scheme for a new type of windshear/turbulence lidar with the measurement of M2 factor of pulsed beams. Also, the project includes the experimental research for M2 factor of pulsed beams in turbulence. The results of this project will be valuable for basic scientific study and very useful in significantly improving the performance of low-level windshear/ turbulence lidar systems that is very important for aviation flight safety, and developing a new type of lidar systems for the detection of low-altitude air turbulence and windshear.

本项目主要研究脉冲激光束（包括短脉冲和超短脉冲光束）在湍流大气中分别沿视线传播和双程传输时，光束质量因子(M2因子)及其相关的时空特性和频谱等的传输规律；研究由接收面上脉冲光束的M2因子，以及束宽和角谱宽度等束参数起伏的时间频谱，反演大气湍流参数、平均风速和风速涨落参数的方法和算法，并结合低空湍流与风切变的特点，分析相应反演算法的合理性和有效性；在上述工作的基础上，结合香港机场激光雷达风切变预警系统(LIWAS)的脉冲光束参数，提出改进现有探测低空湍流与风切变激光雷达的技术方案，并给出基于脉冲光束M2因子测量原理的新型探测低空湍流与风切变激光雷达的初步方案。研究工作还包括针对湍流中脉冲光束M2因子传输规律的验证性实验。本项目的研究不仅有基础科学研究的意义，而且对航空飞行安全中有重要意义的低空湍流及风切变激光雷达的有效改进，以及更先进的新型探测激光雷达的开发均具有重要参考价值。

本项目研究属于激光雷达领域，并部分涉及到大气探测技术和遥感等领域。它主要研究了在视线传播与激光雷达模式下，湍流大气中若干典型激光束(包括脉冲激光束和电磁光束)的光束质量因子(M2因子)、束宽、角谱宽度、漂移和偏振度等束参数的传输特性(包括它们的时空特性与频谱等)，基于脉冲激光束M2因子等反演大气湍流参数和平均风速等参数的方法和算法，相关验证性实验，以及基于新测量原理的探测湍流与风切变激光雷达的初步方案等。项目工作取得了较丰富且有影响的研究成果，主要包括：.(1) 将传统光束漂移理论推广到了非Kolmogorov 湍流情形，导出了光束漂移的一般解析公式；获得了一般大气湍流中维格纳分布函数(WDF)高阶矩包括辐射强度高阶矩的一般解析传播公式以及建立了高阶矩耦合系数等重要理论结果。.(2) 针对激光雷达模式下若干典型扫描激光束(包括脉冲与电磁光束)传输，取得到了比前人更好的结果，如充分地研究了不同天顶角路径的传输，提出并研究了重要光束参数(M2因子、束宽和角谱宽度)的饱和距离，发现当接收系统处于大于角谱宽度饱和距离时，湍流对焦斑半径的影响达到饱和，而且角谱宽度比M2因子的饱和距离要小2个数量级等。.(3) 搭建并完成了一套基于M2因子测量大气湍流参数与平均风速的改进实验系统(包括大气湍流模拟改进装置)，独立研发了一套数据处理软件以及M2因子仿真程序等，并通过实验与数值仿真验证了部分理论研究结果。. 许多研究结果发表在国内外重要学术刊物上，不仅具有重要的科学意义与学术价值，而且具有潜在应用价值，这表明项目工作达到了预期目标。有关理论与实验研究的结果，无疑对现有探测湍流风切变激光雷达系统的改进如扫描光束类型选择、接收光学系统设计等，有直接的重要参考价值，并对研发新探测原理的激光雷达以及基础成果转化均奠定了较坚实的基础。此外，对空间光通信和遥感研究有一定指导意义。