非相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)鑒頻算法

非相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)鑒頻算法劉延文;孫學(xué)金;張傳亮;李紹輝【摘要】風(fēng)場對大氣的運動狀態(tài)和運動趨勢具有很強(qiáng)的代表性,所以風(fēng)場的測量精度對數(shù)值天氣預(yù)報和氣候研究都至關(guān)重要.激光雷達(dá)具有很高的時空分辨率,在近幾十年發(fā)展迅速,在對地觀測中的作用越來越大,尤其在大氣風(fēng)場的探測中得到了很大的應(yīng)用.本文從探測原理、分類和技術(shù)等方面分別對多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行了介紹,并著重總結(jié)了非相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的多普勒頻移算法,可以為我國星載激光雷達(dá)的研究提供參考.期刊名稱】《激光與紅外》年(卷),期】2018(048)010【總頁數(shù)】10頁(P1204-1213)【關(guān)鍵詞】風(fēng);激光雷達(dá);多普勒頻移;邊緣技術(shù);條紋成像技術(shù)【作者】劉延文;孫學(xué)金;張傳亮;李紹輝【作者單位】國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院,江蘇南京211101;國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院,江蘇南京211101;國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院,江蘇南京211101;國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院,江蘇南京211101【正文語種】中文【中圖分類】TN958.98;X8311引言風(fēng)對于大氣能量循環(huán)、污染物擴(kuò)散、水汽和氣溶膠粒子的輸送都有重要的影響,更是大氣環(huán)流的根本動力,是數(shù)值天氣預(yù)報和氣候研究中最迫切需要的數(shù)據(jù),并且局地風(fēng)場在飛機(jī)起飛與著陸、火箭發(fā)射及軍事等方面具具有重要的意義［1-4］,但在當(dāng)前全球觀測系統(tǒng)中,對風(fēng)的觀測并不充分,和氣壓、溫度、濕度等大氣基本變量相比,風(fēng)的觀測較為薄弱［5］。當(dāng)今世界氣象組織主要通過無線電探空網(wǎng)、機(jī)載儀器和氣象雷達(dá)來對風(fēng)場進(jìn)行探測,但無線電探空網(wǎng)分布不均勻,在南半球和洋面上觀測數(shù)據(jù)有限［6］,邊界層以上的風(fēng)速可以根據(jù)地轉(zhuǎn)理論和氣壓測量值計算得到［8］,但該方法只適用于中高緯地區(qū),所以需要直接探測資料來對大氣流動有更準(zhǔn)確的認(rèn)識。激光雷達(dá)作為近幾十年來快速發(fā)展的探測儀器,被用于溫度［8-9］、氣溶膠濃度和光學(xué)厚度［10］的測量,對風(fēng)場的測量也有時空分辨率和探測精度高、探測范圍大、響應(yīng)速度快的優(yōu)點,星載激光雷達(dá)更是可以獲得高精度的全球風(fēng)場。多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)通過測量隨風(fēng)場運動的分子和氣溶膠粒子對激光造成的多普勒頻移來實現(xiàn)風(fēng)場的測量,分子和氣溶膠的后向散射光被激光雷達(dá)接收，通過干涉儀后光子被電荷耦合器(CCD)接收利用CCD上光子的累積和分布計算得到多普勒頻移利用多普勒頻移就可以得到風(fēng)速,所以多普勒頻移的計算精度決定了風(fēng)速測量精度。對于邊緣技術(shù)和條紋成像技術(shù),都有多種多普勒頻移的檢測算法,尤其對于條紋成像技術(shù)而言,不同算法的計算精度、計算速度和計算穩(wěn)定性都不同,所以需要根據(jù)不同的要求選擇不同的算法計算多普勒頻移。本文總結(jié)了非相干測風(fēng)激光雷達(dá)的不同算法,介紹個各種算法的適用性,比較了不同算法的精度和誤差。2多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的探測原理多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)發(fā)射激光脈沖并接收大氣后向散射信號,大氣分子和氣溶膠粒子隨風(fēng)場運動會與激光產(chǎn)生多普勒效應(yīng),從而改變散射回波的頻率,通過測量和計算得到多普勒頻移,就可以計算出徑向風(fēng)速,其表達(dá)式為:vd=2vL0S/入（1）式中,vd為多普勒頻移;vLOS為徑向風(fēng)速;入為波長。從式⑴可以看出，多普勒頻移與目標(biāo)物的運動速度及激光雷達(dá)的工作波長有關(guān),當(dāng)激光雷達(dá)的載荷確定后,多普勒頻移只與目標(biāo)（分子或氣溶膠）的運動速度有關(guān)。根據(jù)徑向風(fēng)速和激光的天頂角（地基）或天底角（空基和天基）便可計算出水平徑向風(fēng)速,其表達(dá)式為:vHLOS二vLOS/sinO（2）其中,vHLOS為水平徑向速度;e為天頂角或天底角。3激光雷達(dá)的鑒頻方法按照鑒頻方式不同,測風(fēng)激光雷達(dá)可以分為非相干激光雷達(dá)［11-13］和相干激光雷達(dá)［14-15］。相干技術(shù)首先利用光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號［16］,然后出射信號與回波信號混頻,拍頻信號的頻率就是回波信號的多普勒頻移,主要用于大氣中低層Mie散射回波信號的頻移測量［17］；非相干技術(shù)利用光學(xué)鑒頻器將頻移轉(zhuǎn)化為功率強(qiáng)度或功率空間分布變化,通過測量功率、強(qiáng)度或功率空間分布的變化來反演風(fēng)速［18］,探測范圍可到大氣中高層。相干雷達(dá)的探測靈敏度、探測精度及信噪比高［19］,噪聲功率小,對太陽背景光不敏感［20］,但對光學(xué)準(zhǔn)直性要求高,接收視場角的失配會嚴(yán)重影響激光雷達(dá)的性能,對于短波長的多普勒激光雷達(dá)校準(zhǔn)要求更為嚴(yán)格，且無法準(zhǔn)確探測Rayleigh散射信號。非相干探測對光學(xué)系統(tǒng)和激光性能的要求相對較低,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,技術(shù)成熟且容易實現(xiàn),采用多脈沖累積可以提高信噪比和探測精度,減小激光散斑的影響,對Rayleigh散射和Mie散射信號都可以進(jìn)行探測利用短波長的激光可以提高Rayleigh散射強(qiáng)度,在氣溶膠濃度為零的情況下也可以工作［21］。非相干探測包括邊緣技術(shù)和條紋成像技術(shù)。邊緣技術(shù)是利用濾波器將后向散射回波信號的頻移轉(zhuǎn)化為能量變化,通過測量能量變化計算多普勒頻移；條紋技術(shù)則是利用不同波長的光透過干涉儀后干涉條紋位置不同的原理來實現(xiàn)多普勒頻移的測量,可采用的干涉儀有F-P標(biāo)準(zhǔn)具和Fizeau干涉儀等。F-P標(biāo)準(zhǔn)具的干涉條紋呈環(huán)狀,且條紋的粗細(xì)和間隔不一致,風(fēng)速與條紋半徑變化為非線性關(guān)系［22］,需要陣列式探測器動態(tài)追蹤條紋變化,和線形像素探測器CCD不匹配,不利于測量［23-24］,利用環(huán)狀陰極倍增管可以解決此問題,但其量子效率較低［25］,另一種解決方法是將環(huán)形條紋轉(zhuǎn)變?yōu)榫€條紋，再用CCD探測［26］。Fizeau干涉儀的干涉條紋呈線形，可以直接通過CCD檢測條紋重心的變化來實現(xiàn)多普勒頻移的測量［23］,這種鑒頻系統(tǒng)光路簡單，系統(tǒng)效率高，干涉儀口徑要求低［27］。條紋技術(shù)一般用于測量Mie散射信號，而邊緣技術(shù)對Rayleigh散射信號和Mie散射信號都可以測量，在敏感性上兩種方法并沒有顯著的不同［21］,風(fēng)速測量精度十分接近［28］。邊緣技術(shù)邊緣技術(shù)可利用F-P標(biāo)準(zhǔn)具、M-Z干涉儀［29-31］、Michelson干涉儀、光柵、各種原子和分子濾波器［32］,如鈉、鉀、碘［33］、銀蒸汽濾波器等,探測靈敏度依賴于分子與氣溶膠的后向散射率及風(fēng)速大小,F-P標(biāo)準(zhǔn)具是非相干探測的主要鑒頻器［34-37］,其透過率曲線具有陡峭的邊緣,入射光頻率變化會使透射光的的強(qiáng)度發(fā)生明顯變化。單邊緣技術(shù)由于標(biāo)準(zhǔn)具透過率曲線半寬點對應(yīng)頻率處的斜率最大,所以出射激光的頻率uE鎖定在此處，微小的頻移將使標(biāo)準(zhǔn)具的透過率發(fā)生明顯變化。由于布朗運動,Rayleigh散射和Mie散射光譜的譜寬有很大差別，但都可用高斯函數(shù)來表示：(3)式中QX為散射信號光譜的標(biāo)準(zhǔn)差，下標(biāo)“x”表示不同散射類型，“R”表示Rayleigh散射，“M”表示Mie散射。分子散射光譜的標(biāo)準(zhǔn)差oR=(8kT/m入2)1/2;Mie散射譜線寬度表示為oM=ouO/(8ln2)1/2QuO為發(fā)射激光的譜寬。通過標(biāo)準(zhǔn)具的光是入射光光譜和標(biāo)準(zhǔn)具透過率曲線h(v)的卷積，表示為：T(u)二fx(u)*h(u)(4)其中,“*”表示卷積,所以透過干涉儀的能量為：I(u)=IO?T(u)(5)其中,I0為入射光的光強(qiáng)。標(biāo)準(zhǔn)具的頻率靈敏度的定義為：單位頻率變化造成透過率的相對變化,表達(dá)式為：(6)根據(jù)多普勒頻移和速度之間的關(guān)系:ud=2v/入標(biāo)準(zhǔn)具的速度靈敏度(單位速度變化引起標(biāo)準(zhǔn)具透過率的相對變化)表達(dá)式為：(7)則徑向速度為:(8)式中為回波信號的強(qiáng)度；II為回波信號通過標(biāo)準(zhǔn)具后的強(qiáng)度；IE‘為發(fā)射激光的光強(qiáng);IE為出射激光透過標(biāo)準(zhǔn)具的強(qiáng)度。雙邊緣技術(shù)雙邊緣技術(shù)是單邊緣技術(shù)的改進(jìn),其測量靈敏度和精度比單邊緣技術(shù)都要高［37］。標(biāo)準(zhǔn)具中心以一定間隔分開,得到兩個分辨率、精度、頻譜分布相同,但峰值透過率對應(yīng)頻率不相同的兩個通道,出射激光頻率鎖定在兩個透射率曲線的交叉位置,回波信號通過標(biāo)準(zhǔn)具兩個通道的能量隨頻率變化,利用兩個通道上接收到的能量,便可以計算出回波信號的頻移,其測量原理如圖1所示。圖1基于F-P標(biāo)準(zhǔn)具的Rayleigh散射多普勒測量原理及CCD成像Fig.1RayleighscatteringdopplermeasurementprinciplebasedonF-PinterferometerandCCDimaging雙邊緣技術(shù)包括連續(xù)雙通道技術(shù)和離散雙通道技術(shù),兩種技術(shù)原理相同,只是回波信號在探測器內(nèi)的路徑不同,離散雙通道技術(shù)是利用分光片將回波信號平均分為兩束[38],然后分別通過標(biāo)準(zhǔn)具的兩個通道,當(dāng)風(fēng)速為零時,兩個通道上接收到的能量相等,當(dāng)徑向風(fēng)速不為零時,回波信號頻率改變,透過兩個通道的的能量不相等,利用兩個標(biāo)準(zhǔn)具透過的能量便可計算出頻移,其離散雙邊緣透過率如圖2所示。圖2離散雙邊緣透過率Fig.2Discretedouble-edgetransmittance連續(xù)雙通道技術(shù)不再將大回波信號分離,而是直接進(jìn)入一個通道,該通道的反射信號進(jìn)入另一個通道，如圖3所示，假設(shè)通道A和通道B的透過率都為10%,回波信號首先進(jìn)入通道A,10%的光子透過通道A,90%的光子被反射進(jìn)入通道B,則通過通道B的光子數(shù)僅占總光字?jǐn)?shù)的9%(90%x10%),雖然兩通道的透過率的相同，但由于進(jìn)入通道B的信號是通道A上的反射信號，所以風(fēng)速為零時，透過兩通道的能量也不相等,但較傳統(tǒng)離散雙F-P標(biāo)準(zhǔn)具的效率更高[39-40]。圖3連續(xù)雙邊緣F-P標(biāo)準(zhǔn)具示意圖及雙邊緣透過率Fig.3Schematicofcontinuousdouble-edgeF-Pinterferometeranddouble-edgetransmittanceChanin依托于雙邊緣的高敏感性提出了多普勒頻率響應(yīng)函數(shù)R[34,41],響應(yīng)函數(shù)R是多普勒頻移的單值函數(shù)，從而可以利用響應(yīng)函數(shù)求得多普勒頻移，在風(fēng)速為-100~100m/s范圍內(nèi)，響應(yīng)函數(shù)為一條直線，表達(dá)式為：(9)其中,NA和NB分別表示回波信號通過標(biāo)準(zhǔn)具兩個通道的光子數(shù)，可表示為：(10)通過F-P標(biāo)準(zhǔn)具后光子探測器接收到的光子數(shù)由F-P標(biāo)準(zhǔn)具的透過率決定的，所以響應(yīng)函數(shù)可以表示為：(11)其中,TA和TB分別表示F-P標(biāo)準(zhǔn)具兩個通道的透過率。響應(yīng)函數(shù)廓線反映了各高度回波信號頻率的變化,利用系統(tǒng)標(biāo)定函數(shù)與大氣溫度廓線可以計算出不同高度的多普勒頻移［42］。Korb自1992年以來一直致力于邊緣技術(shù)研究，并和Flesia提出了另一種響應(yīng)函數(shù)的表達(dá)式［43-46］:(12)根據(jù)相同的原理,響應(yīng)函數(shù)還可以表示為:R3=T1-T2(13)(14)除了Korb提出的多普勒頻率響應(yīng)函數(shù)之外，其他響應(yīng)函數(shù)在正常風(fēng)速所產(chǎn)生的多普勒頻率范圍內(nèi),敏感性都較高，但響應(yīng)函數(shù)R1和R4在風(fēng)速較大時略高，但是并不明顯,所以在應(yīng)用中需要根據(jù)實際需求選擇不同的響應(yīng)函數(shù)。不同響應(yīng)函數(shù)曲線如圖4所示。圖4不同響應(yīng)函數(shù)曲線Fig.4Differentresponsefunctioncurves根據(jù)響應(yīng)函數(shù)的反函數(shù)便可以確定多普勒頻移的大小,表達(dá)式為:(15)其中,R(vd)和R(0)分別為回波信號和出射激光在標(biāo)準(zhǔn)具兩個通道信號的比值。條紋技術(shù)條紋技術(shù)是基于光透過干涉儀后干涉條紋的位置受波長影響而提出的,通過測量干涉條紋的位置變化可以獲得多普勒頻移［32,47］,使用多通道探測器進(jìn)行測量,條紋分布在各個通道上的能量隨多普勒頻移變化,即條紋重心發(fā)生移動,通過測量條紋重心的相對移動就可以計算風(fēng)速［48］。常用的干涉儀有F-P標(biāo)準(zhǔn)具、M-Z干涉儀［29］、Michelson干涉儀和Fizeau干涉儀，但由于Fizeau干涉儀和M-Z干涉儀的干涉條紋呈線形,確定條紋重心更加簡單。Fizeau干涉儀由兩塊光學(xué)平板組成，兩塊平板之間以一定的楔角分開，回波信號通過平板間的楔形空間后,沿楔角方向形成干涉條紋,其強(qiáng)度分布可以用Airy函數(shù)來描述:(16)式中,t和R分別為干涉儀的透過率和反射率;申為相位因子g=4ndv/c;d為平板間距，可以表示為d二dO-ay,其中d0為平板中心間距;a為楔角，如果頻率為v0的激光透過干涉儀后的條紋位于干涉儀的中心dO處，則頻率為vO+vd的回波信號的干涉條紋位于dOvO=d(vO+vd)處，于是條紋在探測器上的位置為：(17)式中,vd為多普勒頻率;vr為徑向速度;c表示光速。由于vdvO,所以得到公式(17)的近似結(jié)果，最大測量速度范圍由楔角a決定。Fizeau干涉儀工作原理如圖5所示。圖5Fizeau干涉儀原理Fig.5PrincipleofFizeauinterferometer回波信號通過干涉儀后被CCD探測器接收，由于條紋位置隨多普勒頻移發(fā)生變化，所以光透過干涉以后,CCD每一個像素單元上接收的光子數(shù)會變化，通過計算出條紋的重心,重心對應(yīng)的頻率便為多普勒頻移,計算條紋重心的方法有重心法、高斯相關(guān)法、極大似然函數(shù)法、下降單形算法等。3.2.1重心法重心法是確定條紋重心最常用的方法，由Gagne等人于1974年提出，表達(dá)式為：(18)其中,C為利用條紋計算得到的中心波長;k為CCD上強(qiáng)度最大的像元對應(yīng)的序號m=2或3;Ii為第i個條紋的強(qiáng)度；ui為第i個條紋的中心波長。大氣的徑向風(fēng)速為：vLOS=(C-8.5)xvUSR/16(19)式中,vUSR為有用光譜范圍對應(yīng)的速度。重心法的誤差隨風(fēng)速的增大而增大，當(dāng)風(fēng)速超過100m/s時，誤差會有一個較大的躍變，這是由風(fēng)速大小造成的，稱之為邊緣偏差,并且計算結(jié)果具有周期性振蕩。重心法計算的重心位置和誤差如圖6所示。圖6重心法計算的重心和誤差Fig.6Orthocenteranderrorcaculatedbyusingcentroidmethod高斯函數(shù)擬合法假設(shè)探測器上的信號服從高斯線形,當(dāng)它的一級導(dǎo)數(shù)為零時,函數(shù)達(dá)到最大值,該值對應(yīng)頻率便為多普勒頻移。高斯函數(shù)與波長和半峰全寬有關(guān),其表達(dá)式為：其中,Ii為信號強(qiáng)度入為波長，則第i個條紋間隔內(nèi)高斯函數(shù)的表達(dá)式為:(21)式中,imax為用于計算的條紋序號的最大值;入0為中心波長，為了確定高斯曲線的最大值,假設(shè)函數(shù)的一級導(dǎo)數(shù)為0,則：(22)通過計算導(dǎo)數(shù)得到入0便可計算風(fēng)速。這便要求預(yù)先設(shè)定一個入0的值進(jìn)行迭代,通過計算入n和增加步長來計算得到入n+1,其反演算法寫為：(23)該方法需要提前假設(shè)一個未知參數(shù)，即高斯函數(shù)的半峰全寬△入FWHM,其數(shù)值大小和信號在探測器上的半峰全寬FWHM非常接近，輸入不同的FWHM,將會導(dǎo)致不同的系統(tǒng)誤差,當(dāng)風(fēng)速較大時(超過50m/s),也會出現(xiàn)和重心法相同的誤差躍變。當(dāng)輸入的△入FWHM較大時，這種誤差躍變會更明顯,靈敏度會減小。不同風(fēng)速時的條紋分布及高斯函數(shù)擬合曲線如圖7所示。圖7不同風(fēng)速時的條紋分布及高斯函數(shù)擬合曲線Fig.7Thefringedistributionandthecurveofgaussianfunctionfittingofdifferentwindvelocity極大似然函數(shù)法對于多通道探測器而言,每個通道上的光子數(shù)是光譜寬度、多普勒頻移、自由光譜區(qū)間及系統(tǒng)接收總能量的函數(shù),且每一通道探測到光子數(shù)的概率服從泊松分布,通過定義似然函數(shù),當(dāng)似然函數(shù)取得最大值時對應(yīng)的頻率就是回波信號的頻率。假設(shè)NFiz(i)為CCD上第i個通道上探測到的光子數(shù),Ni(入)為對應(yīng)通道上強(qiáng)度隨波長的分布，用A表示Ni(入)的概率密度函數(shù),表示為檢測到NFiz(i)的可能性，最大似然方法就是找到八的最大值來作為Ni(入)的一個函數(shù)，該算法由Helstrom和VanTree于1968年提出，被Frehlich、Yadlowsky和Smalikho應(yīng)用于非相干激光雷達(dá)系統(tǒng)中［49-51］。假設(shè)強(qiáng)度分布服從洛倫茲線型,密度分布函數(shù)服從洛倫茲線形并代表概率密度函數(shù)(似然函數(shù)),則洛倫茲函數(shù)可以表示為:(24)其中，△入FWHM為信號半寬，探測器上的光子數(shù)為：Ne(入)二ns*L(△入D)(25)式中,ns為CCD上所有的光子數(shù)，則光子的分布表示為：(26)其中，△入D為波長變化。通道i(i=1,2,3,...,16)上的平均光子數(shù)為：(27)△入pix二△入USR/16為每個通道的寬度,a=i?△入pix-△入D-△入USR/2,b=(i+1)?△入pix-△入D-△入USR/2。求解積分公式得到每一個通道的光子數(shù)：(28)將方程進(jìn)行整理得到：(29)其中,ns和△入D為方程中的未知參數(shù)。最大似然函數(shù)A將用概率密度函數(shù)p來表示,p是關(guān)于強(qiáng)度分布Ni(入)的函數(shù)：A(△入D,ns)二nip(Ni)(30)在通道i上探測到NFiz(i)的概率p服從泊松分布，它是Ni(入)的理論平均數(shù)和CCD上探測得到的光子數(shù)NFiz(入)的函數(shù)(為了簡便，將Ni(入)寫為Ni將NFiz(入)寫為NFiz)：(31)為簡化后面的運算,對式(31)采用對數(shù)運算：Ain(△入D,ns)=ln(nip(Ni))(32)當(dāng)函數(shù)取最大值時，便可以得到△入D的值根據(jù)式(31)和式(32)可得到：(33)(34)式(34)等號右邊第二項為探測器上探測得到的強(qiáng)度,是一個常數(shù)值，用C來表示，第三項為信號強(qiáng)度ns:(35)將式(28)代入式(35)中得到：(36)該方程無法得到解析解，所以需要進(jìn)行迭代來得到近似解，未知參數(shù)△入D用△入pix(E-0.5△入USR)來替換,E為算法的步長寬度(通常為0.0024pm)。利用最大似然函數(shù)法計算風(fēng)速時,誤差隨著風(fēng)速的增大而增大，風(fēng)速大于50m/s時同樣會產(chǎn)生躍變。下降單純形法下降單純形法由Nelder和Mead于1965年提出，單純形法的基本思路是在N維空間中,構(gòu)造一個非退化的初始單純形,然后做一系列的幾何操作,如反射、擴(kuò)展、收縮等,逐步往極值點移動該單純形。在一個幾何體(單形)內(nèi)確定一個多于一個變量的函數(shù)的極值，單形的尺度是多維的并且試圖將極值限制在單形體內(nèi)，在n維空間中具有(n+1)個角的最簡單的幾何體是三角形,計算的每一步，對單形每一個角進(jìn)行分析并將效果最差的角用另一個來替換,區(qū)別于其他算法,該算法不需要求導(dǎo)數(shù),并且是絕對收斂的,1988年下降單純形法得到了具體的應(yīng)用。假設(shè)氣溶膠的后向散射信號滿足洛倫茲線型,在計算過程中變化的參數(shù)有FWHM(a1)和最大值的位置(a2),這兩個參數(shù)可以描述多普勒頻移。該算法在計算時，需要給定al和a2,通過每一步迭代，原來的初始值會有一個改變量Aa,并與初始值結(jié)合，結(jié)合的方式有三種(a1,a2;a1+Aa,a2;a1,a2+Aa),從而每一組值產(chǎn)生三個洛倫茲函數(shù),洛倫茲曲線由式(24)表示,該算法的表達(dá)式為:(37)式中,A為振幅，由CCD上的最大強(qiáng)度來決定，每一個像素點由10個點來表示，如果CCD有16個像素就會產(chǎn)生160個波長間隔，一系列的測試表明該種波長間隔是最優(yōu)的，將產(chǎn)生的曲線與CCD上的信號的偏差的平方相加，三個結(jié)果代表了單形的每一個角(n=2),將每一個角的誤差進(jìn)行比較并將誤差最大的角進(jìn)行替換，如果誤差達(dá)到一定的閾值,則達(dá)到了洛倫茲曲線的最優(yōu)參數(shù)。該算法被用于決定信號最大值的位置和信號的FWHM。下降單純形法對于初始給定的FWHM的值非常敏感相比于重心法和高斯擬合法算,下降單純形法的誤差不會隨風(fēng)速的增大而增大,即誤差不會出現(xiàn)躍變。重心法是計算多普勒頻移最簡單的算法,但其計算誤差隨風(fēng)速的增大而增大,計算結(jié)果具有周期性振蕩,因此在風(fēng)速較大的情況下,適用性較差,并且算法會引入振蕩誤差；當(dāng)風(fēng)速較小時,最大似然法與高斯擬合法反演的風(fēng)速誤差相當(dāng),但高斯擬合法目標(biāo)函數(shù)明確,計算速度快,易于實時處理,而極大似然法計算速度較慢,計算時間不穩(wěn)定,不利于風(fēng)速的實時反演,但當(dāng)風(fēng)速較大時,極大似然法的計算結(jié)果仍然保持較高的精度,不會出現(xiàn)誤差的躍變,這是高斯擬合方法無法達(dá)到的。因此,實際風(fēng)速反演時,可以同時利用高斯擬合和最大似然法,利用高斯擬合方法計算大風(fēng)速,利用最大似然法反演小風(fēng)速，風(fēng)速大小則是根據(jù)CCD上條紋能量最大值所在的通道位置和光譜寬度來判定,當(dāng)最大能量通道的位置接近邊緣時認(rèn)為風(fēng)速較大。并且最大似然法反演風(fēng)速受信噪比影響較大,而高斯擬合法受信噪比影響較小。4總結(jié)隨著激光技術(shù)的發(fā)展和日益成熟,利用激光雷達(dá)測量大氣參數(shù)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢,而且激光雷達(dá)已經(jīng)已經(jīng)可以實現(xiàn)氣溶膠后向散射系數(shù)、消光系數(shù)、偏振態(tài)、水汽混合比和大氣密度等氣象要素的探測,多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)可以提供高精度、高時空分辨率的探測數(shù)據(jù),并且星載多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)可以提供全球風(fēng)場信息。歐洲已經(jīng)于上世紀(jì)末提出了基于激光技術(shù)的大氣風(fēng)場測量計劃(ADM-Aeolus),這一計劃的核心是研制星載多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)ALADIN(AtmosphericLaserDopplerInstrument),以獲取對流層以及平流層底層的風(fēng)廓線。而測風(fēng)時準(zhǔn)確的計算多普勒頻移是高精度探測風(fēng)場的必要條件。文章總結(jié)了非相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)的鑒頻方式,及不同鑒頻方式下多普勒頻移的算法及其優(yōu)缺點,并分析了不同算法的適用范圍,從而可以根據(jù)不同條件選取不同的鑒頻方式和鑒頻算法。目前我國多家科研單位的激光雷達(dá)研制能力達(dá)到了世界先進(jìn)水平,并且已經(jīng)開展星載激光雷達(dá)的研究,實現(xiàn)全球云、氣溶膠和風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)的自主觀測,以提高我國地球探測能力及氣象預(yù)報和氣候預(yù)測水平,促進(jìn)我國科研事業(yè)的發(fā)展。相信在各單位的共同努力下,我國不同技術(shù)體制的星載激光雷達(dá)一定能夠快速發(fā)展。參考文獻(xiàn):【相關(guān)文獻(xiàn)】BUZhichao.Studyonthesystemdesignanddataprocessingalgorithmforcoherentdopplerwindlidar[D].Beijing：BeijingInstituteofTechnology,2014.(inChinese)步志超?相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)處理算法研究[D].北京：北京理工大學(xué),2014.HUANGRonghui,GULei,CHENJilong,etal.Recentprogressesintemporal-spatialvariationsoftheeastasianmonsoonsystemandtheirimpactsonclimateanomaliesinChina[J].ChineseJournalofAtmosphericSciences,2008,32(4):691-719.(inChinese)黃榮輝，顧雷，陳際龍，等?東亞季風(fēng)系統(tǒng)的時空變化及其對我國氣候異常影響的最近研究進(jìn)展[幾大氣科學(xué),2008,32(4):691-719.WorldMeteorologicalOrganization.PreliminarystatementofguidanceregardinghowwellstatellitecapabilitiesmeetWMOuserrequirementsinseveralapplicationareas[R].WMO/TD,1998.DabasA.Observingtheatmosphericwindfromspace[J].ComptesRendusGeoscience,2010,342(4-5):370-379.ChaninML,GarnierA,HauchecorneA,etal.ADopplerlidarformeasuringwindsinthemiddleatmosphere[J].GeophysicalResearchLetters,1989,16(11):1273-1276.MarseilleGJ,StoffelenA.Simulationofwindprofilesfromaspace-borneDopplerwindlidar[J].QuarterlyJournaloftheRoyalMeteorologicalSociety,2003,129(594):3079-3098.KhaykinSM,HauchecorneA,PorteneuveJ,etal.Ground-BasedRayleigh-MieDopplerLidarforWindMeasurementsintheMiddleAtmosphere[C].ILRC27,2016:119.SheCY,KruegerDA,HairJW,etal.High-Spectral-ResolutionLidarwithIodine-VaporFilters:MeasurementofAtmospheric-StateandAerosolProfiles[J].AppliedOptics,2001,40(30):5280-94.WitschasB,LemmerzC,ReitebuchO.Daytimemeasurementsofatmospherictemperatureprofiles(2-15km)bylidarutilizingRayleigh-Brillouinscattering.[J].OpticsLetters,2014,39(7):1972-1975.EsselbornM,WirthM,FixA,etal.Airbornehighspectralresolutionlidarformeasuringaerosolextinctionandbackscattercoefficients[J].AppliedOptics,2008,47(3):346.TANGLei,JIANGShan,LIZimu,etal.PerformanceimprovementofrayleighwindlidarandwindfieldobservationinmiddleandupperatmosphereLasers[J].ChineseJournalofLasers,2016(7):263-272.(inChinese)唐磊,蔣杉,李梓霂，等?瑞利測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)性能改進(jìn)與中高層大氣風(fēng)場觀測[J].中國激光,2016,(7):263-272.SHUZhifeng,TANGLei,DONGJihui,etal.Performanceofthetriplefabry-perotetalonforwindlidar[J].ActaOpticaSinica,2010,30(5):1332-1336.(inChinese)舒志峰，唐磊，董吉輝，等?用于測風(fēng)激光雷達(dá)的三通道法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具性能分析J].光學(xué)學(xué)報,2010,30(5):1332-1336.DINGHongxin,SUNDongsong,YANGZhao,etal.AccuraacyaffectedbythebeamdivergenceinaFabry-Perotetalonbasedwindlidar[J].Laser&Infrared,2004,34(1):18-20.(inChinese)丁紅星，孫東松，楊昭，等?測風(fēng)激光雷達(dá)光束發(fā)散對測量精度的影響[J].激光與紅外,2004,34(1):18-20.JIAXiaodong,SUNDongsong,XIEShaoliang,etal.ImplementofparallelretrievalalgorithmforwindvelocitybasedonmulticoreDSPincoherentwindlidar[J].InfraredandLaserEngineering.2016,45(9):136-141.(inChinese)賈曉東，孫東松,謝紹亮，等?相干測風(fēng)激光雷達(dá)中多核DSP并行風(fēng)速反演算法的實現(xiàn)[J].紅外與激光工程,2016,45(9):136-141.ZHANGFangpei,XUEHaizhong,HUYongzhao,etal.Coherentdopplerwindlidar[J].JournalofAppliedOptics.2009,30(6):1045-1050.(inChinese)張芳沛，薛海中，胡永釗,等相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)J].應(yīng)用光學(xué),2009,30(6):1045-1050.ZHANGDian.Analysisonmeasureerrorofdirectdetectionwindlidar[D].Tianjin:CivilAviationUniversityofChina,2016.(inChinese)章典?非相干激光雷達(dá)誤差分析[D].天津：中國民航大學(xué),2016.GAOJian.UVwindmeasurementlidardouble-edgefilterdectection[D].Harbin：HarbinInstituteofTechnology,2007.(inChinese)郜鍵?紫外測風(fēng)激光雷達(dá)雙邊緣濾波器分析及性能檢測[D]?哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),20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