基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究

基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测，结合最优估计法，对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型，选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息，构建用于最优化处理的成本函数，利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理，得到大气温度的反演结果，对反演结果的不确定度分析的同时利用平均核矩阵对反演结果中真实信息的贡献进行评估。利用瑞利激光雷达方程产生的模拟回波信号进行了大气温度的反演处理与分析，对中国科学院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测数据进行大气温度的最优估计反演。结果表明，90 km以下的反演不确定度在10 K以内，且相较于CH方法，最优估计法具有反演有效范围高的优势；在回波光子信噪比较高的区域，反演不确定度较小，且真实信息对反演结果的贡献占主导地位。     

瑞利激光雷达反演中层大气温度算法

瑞利激光雷达是探测中层大气温度的重要设备,具有高时空分辨率且不存在探测盲区的优点.为充分利用激光雷达探测到的原始数据,改进了传统的Chanin-Haunchecorne方法,采用由均匀搜索生成温度初值的方式反演大气温度.位于北京延庆（40.3°N,116.2°E）的瑞利激光雷达具有589nm和532nm两个通道,将589nm通道用于计算,532nm通道作为参考.在150~250K区间等间隔选取多个温度初值,利用589nm通道反演60~70km高度范围内的大气温度廓线和大气密度廓线,利用参考密度廓线选取准确的温度初值,反演得到准确的大气温度廓线.将589nm通道和532nm通道反演的温度廓线相比较,发现二者具有较高的一致性.改进后的方法有效利用了信噪比较差的光信号,使589nm通道的温度探测上限从60km提高到70km.      

星载激光雷达光路自动调整技术研究进展

大气探测激光雷达系统接收与发射光轴的空间平行与否直接影响探测数据的有效性,高精度光路自动调整系统是星载激光雷达实现可靠探测的保障条件之一.基于国际上现有的星载大气探测激光雷达,总结光路调整系统的研究现状、基本原理和常用方法,并从硬件结构和软件算法两方面对常用的回波信号强度法和光斑调整法进行了对比.回波信号强度法结构简单,但调整过程受大气和地表环境影响明显;光斑调整法可实现1μrad的高精度调整,但光路复杂、成本相对更高.总体而言,光路自动调整技术涉及多个学科和领域,结合各个学科的优势,设计出结构简单、高精度低成本的光路调整系统,是未来的发展方向.     

青岛上空中层大气密度和温度的激光雷达探测

介绍了中国电波传播研究所瑞利散射激光雷达系统的结构和性能, 阐述了激光雷达探测中层大气密度和温度的工作原理, 给出了青岛地区中层大气密度和温度的初步探测结果. 通过与卫星、探空气球和大气模式数据的结果对比, 验证了激光雷达探测大气温度的可靠性. 基于2008-2009两年的观测, 获得了青岛地区上空中层大气温度的季节变化和平均分布. 激光雷达观测结果表明, 青岛地区平流层温度比CIRA86模式结果高, 且二者偏差呈夏秋季小、冬春季大的特点, 中间层温度则正好相反.      

激光雷达变脉宽模拟与探测数据的分析

本文提出了理想激光雷达回波功率Pm与实际回波功率Pr的概念，用数值方法求得不同脉冲宽度，可变背景，可变β层及不同接收门宽情况下的Pr/pm的与高度关系，应用计算结果处理了部分探测数据，显示了北京上空气溶胶导和到50km分子散射的某些形式与特征。     

一种星载SAR模糊区回波信号仿真方法

模糊度是星载合成孔径雷达(SAR,Synthetic Aperture Radar)星地一体化系统方案设计中的重要技术指标.为了定量化研究模糊度对图像质量的影响,提出了一种星载SAR模糊区回波信号的仿真方法.该方法采用星载SAR模糊区回波信号模型.利用该方法生成包含观测区场景和模糊区场景的星载SAR回波信号,经成像处理后可以获得具有模糊特性的SAR图像.该仿真方法为定量化研究模糊度与图像质量之间的关系提供仿真工具,它能够反映模糊区目标的图形特征,为SAR图像的解译判读提供参考依据.计算机仿真结果验证了该方法的有效性.      

基于CPLD的雷达信号发生器设计

现代战争对雷达系统设备功能与性能提出了越来越高的要求,信号发生器作为雷达系统的重要组成部分面临着更高的挑战。针对雷达整机测试中动态目标模拟难的问题,提出了基于CPLD的雷达信号发生器设计方法。通过采用可编程逻辑器件,用拨码开关调节产生复杂的组合逻辑时序,控制雷达波形产生器和频率合成器,产生多种高频目标回波信号,模拟空中真实目标,在雷达不开发射机的情况下,实现了对雷达整机性能的测试。同时,对模拟的雷达目标回波信号进行了测试。结果表明,信号发生器满足设计要求。     

宽光谱可调谐纠缠光子源设计

为研制宽光谱可调谐纠缠光子源，提出利用532nm激光抽运周期极化铌酸锂（PPLN）晶体，辅以晶体周期切换和温度调谐的方法。基于PPLN晶体准相位匹配方式，完成对晶体周期、长度和温控精度等特性参数的理论研究。在此基础上计算得到晶体的周期，信号光相关光子带宽分布以及信号光温控精度曲线。研究表明，在50℃~200℃温控范围内，利用9块晶体可实现676nm~2500nm宽光谱可调谐相关光子输出。研究结果为高通量宽光谱可调谐纠缠光子源的研制奠定了基础。     

2010年5月4日夜间海口上空钠层密度的激光雷达观测研究

使用Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生的589nm激光, 与中高层大气中钠原子产生共振, 利用直径为1000mm的望远镜接收钠层的光子回波. 研究中国海口市2010年5月4日夜间的中高层大气中钠层密度分布, 计算钠层的相对密度和绝对密度, 研究钠层密度峰值变化. 观测到突发钠层出现在23:52LT, 持续12min.      

激光雷达复材型面测量精度分析方法

针对激光雷达复材型面测量时测量精度的评定需求,提出了一种基于激光雷达回波信号信噪比（SNR）的精度分析方法。通过对复材型面检测结果进行评价,获取零件脱模后准确的变形量结果,有利于实现精准修模。所提方法考虑了测量工程中待测距离、入射角、材料属性等因素对测量结果产生的影响,研究激光雷达型面测量过程中回波信号信噪比与测量精度的联系,利用信噪比的变化规律,结合仪器不确定度,确定测量点云不同区域的精度修正因子,实现激光雷达大尺寸复材型面变形量检测结果的测量精度分析,减小了测量误差对变形量的影响。所提方法能准确评价测量结果的精度,获取复材型面的真实变形量。      

大气湍流对深空天线组阵相位影响分析

深空测控网采用大规模天线组阵系统比单个大天线具有一定优势,构建一个Ka频段的天线组阵系统无论对于星际测控通信还是天文观测都是一种经济、可持续扩展的技术方案。然而天线组阵系统工作于Ka频段时,由于天线间相位的快速起伏漂移将使得合成信噪比迅速恶化,尤其对于深空测控上行链路信号的相位监测和闭环控制带来巨大挑战,所以对天线间大气相位扰动测量和数值模拟非常必要。参考国外相关的干涉测量数据,首先分析了天线组阵大气相位扰动测量和统计分析方法;然后利用微波大气湍流模型,建立了天线组阵相位漂移抖动模型;对大气湍流引起的相位延迟扰动过程进行了仿真实现。利用模型产生的天线组阵相位抖动数值,可以测试和评估天线组阵信号合成处理系统的适用性。     

行星大气1~3000GHz微波-亚毫米波辐射模拟

为模拟行星大气在微波elax-elax亚毫米波波段的辐射传输特性,利用逐线积分方法计算行星大气中各气体成分在1~3000GHz的吸收系数.基于HITRAN数据库中各气体分子的跃迁频率及线强等参数,有效模拟了各气体分子在此频段内的吸收特征,并与常用的微波elax-elax亚毫米波大气辐射传输模式进行对比.分析地球大气的组成及特性,利用辐射传输方程模拟临边探测方式下不同频段的大气辐射亮温.研究结果可为后续地球乃至行星大气成分探测模拟、频带选择以及大气成分廓线反演提供模型及理论依据.      

Spaceborne lidar measurement accuracy: Simulation of aerosol,cloud, molecular density,and temperature retrievals

Spaceborne lidar measurements and retrievals are simulated using realistic errors in signal, conventional density information, atmospheric transmission, and lidar calibration. We find that by day, independent analysis of returns at wavelengths of 0.53 and 1.06 μm yields vertical profiles (0.1- to 1-km resolution) of tenuous clouds and boundary-layer, Saharan, and strong volcanic stratospheric aerosols to accuracies of 30% or better, provided particulate optical depth does not exceed ?0.3. By night all these constituents are retrieved, plus noctilucent clouds, mesospheric aerosols, and upper tropospheric/nonvolcanic stratospheric (UT/NVS) areosols. Molecular-density uncertainties are a dominant source of error for UT/NVS retrievals.To reduce these errors and also to provide density and temperature profiles, we developed a procedure that combines returns at 0.35 and 1.06 μm. This technique significantly improves UT/NVS aerosol retrieval accuracy and also yields useful density and temperature profiles there. Strong particulate contamination limits the technique to the cloud-free upper troposphere and above.     

武汉上空钠层与钾层的同时激光雷达观测

简要介绍了(WIPM)双波长共振荧光激光雷达系统和数据处理方法, 并利用其对武汉上空钠层和钾层进行了多天的同时观测, 通过对钠层和钾层的绝对数密度、柱密度以及质心高度的计算, 同时与中纬度其他地区的相关参数进行比较,得出武汉上空钠层的绝对数密度、柱密度以及质心高度与其他中纬度地区十分相近的结论, 并且发现了一个钠层突发和钾层突发不同时出现的现象.      

一种分布式小卫星SAR单视复图像信号仿真方法

总结了分布式小卫星合成孔径雷达(DSS-SAR,Distributed Small Satellite Synthetic Aperture Radar)回波信号仿真所需具备的基本功能.给出了DSS-SAR的空间几何模型和信号模型.空间几何模型由描述小卫星编队构形的Hill方程给出,信号模型由单视复图像信号模型、信号相关性模型和干涉相位的统计特性共同描述.结合空间几何模型和单视复图像信号模型,提出了一种简洁的DSS-SAR单视复图像信号的仿真方法.该仿真方法中,小卫星的空间位置是根据虚拟中心空间位置和小卫星的编队构形计算得到,因此仿真时能够任意设置小卫星群的编队构形.通过对圆锥三维地形和平地两种地面场景的进行回波信号仿真,结果表明该仿真方法不但能够实现DSS-SAR信号仿真必须具备的功能,而且还具有实现简洁、误差加入方便等优点.      

基于最大熵法和遗传算法的SMSP干扰对抗方法

线性调频(LFM)信号是现代雷达常用的发射信号,可以有效提高雷达的检测性能,然而频谱弥散(SMSP)干扰应用于主瓣自卫式干扰时,干扰信号强度远大于目标回波信号,能够对目标回波信号形成遮盖,是一种有效对抗LFM信号的干扰样式。利用干扰信号与目标回波信号时频特征的不同,通过广义S变换(GST)凸显时频特征差异。运用最大熵法和遗传算法(GA)求取时频滤波器的分割阈值。通过构造的时频滤波器达到干扰抑制的目的。仿真结果表明:当干信比(JSR)大于10 dB、信噪比(SNR)大于0 dB时, 所提方法具有较好的干扰抑制效果,其中最大信干噪比(SJNR)增益接近25 dB。      

Laser sounding of aerosols using airborne and space facilities

The paper presents the results of laser sounding of water droplet crystal and mixed clouds carried out using an airborne lidar. A new method of determining the phase state of a cloud is described. The results are given on numerical experiments of laser sounding of various clouds using a polarization lidar for large variety of geometrical parameters of sounding schemes and optical characteristics of clouds. Numerical simulation of the results of laser sounding of aerosols from outer space for different lidar parameters and geometrical schemes of sounding is carried out using new models of vertical profiles of aerosol characteristics.