星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(I)：基于Fizeau干涉仪的Mie通道大气风速反演研究

张日伟; 孙学金; 严卫; 刘磊; 李岩; 赵剑; 颜万祥; 李浩然

doi:10.7498/aps.63.140702

摘要

研究了星载激光多普勒测风雷达系统结构，构建了基于Fizeau干涉仪的鉴频仿真系统，仿真研究了Mie通道风速反演算法，并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Mie通道大气水平视线（HLOS）风速反演误差. 仿真和统计结果表明，基于Fizeau干涉仪的Mie通道可反演低对流层大气风速；低对流层HLOS风速误差和标准差分别小于1 m·s-1和2 m·s-1；气溶胶和云的分布影响星载激光多普勒雷达测风误差，可使风速最大偏差增大一倍.

关键词:

Abstract

System structure of spaceborne Doppler wind lidar is investigated. Simulation system of frequency discrimination is built based on Fizeau interferometer. The wind retrieval algorithm of Mie channel is simulated and studied. The horizontal line-of-sight (HLOS) wind error is analysed using the simulated result of the radiosonde dataset. The result shows that the wind speed of lower troposphere can be retrieved in Mie channel based on Fizeau interferometer. The average values of HLOS wind error deviation and standard deviation in lower troposphere are less than 1 m·s-1 and 2 m·s-1, respectively. Distributions of aerosol and cloud have an influence on wind error for spaceborne Doppler wind lidar, and the maximum wind deviation will increase twice.

Keywords:

作者及机构信息

1.
解放军理工大学气象海洋学院, 南京 211101;

2.
西北核技术研究所, 西安 710024

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：41205125）资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China;

2.
Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an 710024, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 41205125).

参考文献

[1]	Gruber C, Haimberger L 2008 Meteorol. Z. 17 631
[2]	Du J, Ren D M, Zhao W J, Qu Y C, Chen Z L, Geng L J 2013 Chin. Phys. B 22 024211
[3]	Flesia C, Korb C L 1999 Appl. Opt. 38 432
[4]	Abreu V J 1979 Appl. Opt. 18 2992
[5]	McGill M J, Skinner W R, Irgang T D 1997 Appl. Opt. 36 1253
[6]	Tang L, Wang Y T, Shu Z F, Dong J H, Wang G C, Xu W J, Hu D D, Chen T D, Dou X K, Sun D S, Cha H 2010 Chin. Phys. Lett. 27 114207
[7]	Tang L, Wang C R, Wu H B, Dong J H 2012 Chin. Phys. Lett. 29 014213
[8]	Chanin M L, Garnier A, Hauchecorne A, Porteneuve J 1989 Geophys. Res. Lett. 16 1273
[9]	McGill M J, Skinner W R, Irgang T D 1997 Appl. Opt. 36 1928
[10]	Souprayen C, Garnier A, Hertzog A 1999 Appl. Opt. 38 2422
[11]	Gentry B M, Chen H 2002 Proceedings of SPIE 4484 San Diego, CA, July 29, 2001 p74
[12]	Weissmann M, Busen R, Dörnbrack A, Rahm A, Reitebuch O 2005 J. Atmos. Ocean. Technol. 22 1706
[13]	Reitebuch O, Lemmerz C, Nagel E, Paffrath U, Durand Y, Endemann M, Fabre F, Chaloupy M 2009 J. Atmos. Ocean. Technol. 26 2501
[14]	Marksteiner U, Reitebuch O, Rahm S, Nikolaus I, Lemmerz C, Witschas B 2011 Proceedings of SPIE 8182 Prague, Czech Republic, September 19, 2011 81820J
[15]	Schillinger M, Morancais D, Fabre F, Culoma J 2003 Proceedings of SPIE 4881 Crete, Greece, September 23, 2002 p40
[16]	Endemann M, Dubock P, Ingmann P, Wimmer R, Morancais D, Demuth D 2004 Proceedings of 22nd International Laser Radar Conference (ILRC) Matera, Italy, July 12-16, 2004 p953
[17]	Stoffelen A, Marseille G J, Bouttier F, Vasiljevic D, Haan S D, Cardinali C 2006 Q. J. R. Meteorol. Soc. 132 1927
[18]	Straume-Lindner A G, Ingmann P 2007 Proceedings of International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS) Barcelona, Spain, July 23-28, 2007 p4969
[19]	Tan D G H, Andersson R, Kloe J D, Marseille G J, Stoffelen A, Poli P, Denneulin M L, Dabas A, Huber D, Reitebuch O, Flamant P, Rille O L, Nett H 2008 Tellus 60A 191
[20]	Liu Z S, Wu D, Liu J T, Zhang K L, Chen W B, Song X Q, Hair J W, She C Y 2002 Appl. Opt. 41 7079
[21]	Sun D S, Yang Z, Fang J X 2003 Chin. J. Lasers 30 943 (in Chinese) [孙东松, 杨昭, 方建兴 2003 中国激光 30 943]
[22]	Liu J Q, Chen W B, Hu Q Q 2004 Chin. J. Atmos. Sci. 28 762 (in Chinese) [刘继桥, 陈卫标, 胡企铨 2004 大气科学 28 762]
[23]	Shen F H, Sun D S, Chen M, Xia H Y, Dong J J, Wang B X, Zhong Z Q, Zhou X L 2006 Infrared Laser Eng. 35 691 (in Chinese) [沈法华, 孙东松, 陈敏, 夏海云, 董晶晶, 王邦新, 钟志庆, 周小林 2006 红外与激光工程 35 691]
[24]	Xiao H Y, Sun D S, Yang Y H, Shen F H, Dong J J, Kobayashi T 2007 Appl. Opt. 46 7120
[25]	Yang C H, Shen F H, Song D S 2009 Laser & Infrared 39 724 (in Chinese) [杨春沪, 沈法华, 孙东松 2009 激光与红外 39 724]
[26]	Shen F H, Shu Z F, Sun D S, Wang Z C, Xue X H, Chen T D, Dou X K 2011 Acta Phys. Sin. 60 060704 (in Chinese) [沈法华, 舒志峰, 孙东松, 王忠纯, 薛向辉, 陈廷娣, 窦贤康 2011 物理学报 60 060704]
[27]	Shen F H, Shu Z F, Sun D S, Wang Z C, Xue X H, Chen T D, Dou X K 2012 Acta Phys. Sin. 61 030702 (in Chinese) [沈法华, 舒志峰, 孙东松, 王忠纯, 薛向辉, 陈廷娣, 窦贤康 2012 物理学报 61 030702]
[28]	Marseille G J, Stoffelen A 2003 Q. J. R. Meteorol. Soc. 129 3079
[29]	Sun X J, Zhang R W, Marseille G J, Stoffelen A, Donovan D, Liu L, Zhao J 2014 Atmos. Meas. Tech. Discuss. 7 1393
[30]	Zhang G X, Zhao Y F, Zhang Y C, Zhao P T 2008 Acta Phys. Sin. 57 7390 (in Chinese) [张改霞, 赵曰峰, 张寅超, 赵培涛 2008 物理学报 57 7390]
[31]	Liu H T, Chen L F, Su L 2011 Acta Phys. Sin. 60 064204 (in Chinese) [刘厚通, 陈良富, 苏林 2011 物理学报 60 064204]
[32]	Zhang J Q, Chen H B, Li Z Q, Fan X H, Peng L, Yu Y, Cribb M 2010 J. Geophys. Res. 115 D00K30

施引文献

[1]	Gruber C, Haimberger L 2008 Meteorol. Z. 17 631
[2]	Du J, Ren D M, Zhao W J, Qu Y C, Chen Z L, Geng L J 2013 Chin. Phys. B 22 024211
[3]	Flesia C, Korb C L 1999 Appl. Opt. 38 432
[4]	Abreu V J 1979 Appl. Opt. 18 2992
[5]	McGill M J, Skinner W R, Irgang T D 1997 Appl. Opt. 36 1253
[6]	Tang L, Wang Y T, Shu Z F, Dong J H, Wang G C, Xu W J, Hu D D, Chen T D, Dou X K, Sun D S, Cha H 2010 Chin. Phys. Lett. 27 114207
[7]	Tang L, Wang C R, Wu H B, Dong J H 2012 Chin. Phys. Lett. 29 014213
[8]	Chanin M L, Garnier A, Hauchecorne A, Porteneuve J 1989 Geophys. Res. Lett. 16 1273
[9]	McGill M J, Skinner W R, Irgang T D 1997 Appl. Opt. 36 1928
[10]	Souprayen C, Garnier A, Hertzog A 1999 Appl. Opt. 38 2422
[11]	Gentry B M, Chen H 2002 Proceedings of SPIE 4484 San Diego, CA, July 29, 2001 p74
[12]	Weissmann M, Busen R, Dörnbrack A, Rahm A, Reitebuch O 2005 J. Atmos. Ocean. Technol. 22 1706
[13]	Reitebuch O, Lemmerz C, Nagel E, Paffrath U, Durand Y, Endemann M, Fabre F, Chaloupy M 2009 J. Atmos. Ocean. Technol. 26 2501
[14]	Marksteiner U, Reitebuch O, Rahm S, Nikolaus I, Lemmerz C, Witschas B 2011 Proceedings of SPIE 8182 Prague, Czech Republic, September 19, 2011 81820J
[15]	Schillinger M, Morancais D, Fabre F, Culoma J 2003 Proceedings of SPIE 4881 Crete, Greece, September 23, 2002 p40
[16]	Endemann M, Dubock P, Ingmann P, Wimmer R, Morancais D, Demuth D 2004 Proceedings of 22nd International Laser Radar Conference (ILRC) Matera, Italy, July 12-16, 2004 p953
[17]	Stoffelen A, Marseille G J, Bouttier F, Vasiljevic D, Haan S D, Cardinali C 2006 Q. J. R. Meteorol. Soc. 132 1927
[18]	Straume-Lindner A G, Ingmann P 2007 Proceedings of International Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS) Barcelona, Spain, July 23-28, 2007 p4969
[19]	Tan D G H, Andersson R, Kloe J D, Marseille G J, Stoffelen A, Poli P, Denneulin M L, Dabas A, Huber D, Reitebuch O, Flamant P, Rille O L, Nett H 2008 Tellus 60A 191
[20]	Liu Z S, Wu D, Liu J T, Zhang K L, Chen W B, Song X Q, Hair J W, She C Y 2002 Appl. Opt. 41 7079
[21]	Sun D S, Yang Z, Fang J X 2003 Chin. J. Lasers 30 943 (in Chinese) [孙东松, 杨昭, 方建兴 2003 中国激光 30 943]
[22]	Liu J Q, Chen W B, Hu Q Q 2004 Chin. J. Atmos. Sci. 28 762 (in Chinese) [刘继桥, 陈卫标, 胡企铨 2004 大气科学 28 762]
[23]	Shen F H, Sun D S, Chen M, Xia H Y, Dong J J, Wang B X, Zhong Z Q, Zhou X L 2006 Infrared Laser Eng. 35 691 (in Chinese) [沈法华, 孙东松, 陈敏, 夏海云, 董晶晶, 王邦新, 钟志庆, 周小林 2006 红外与激光工程 35 691]
[24]	Xiao H Y, Sun D S, Yang Y H, Shen F H, Dong J J, Kobayashi T 2007 Appl. Opt. 46 7120
[25]	Yang C H, Shen F H, Song D S 2009 Laser & Infrared 39 724 (in Chinese) [杨春沪, 沈法华, 孙东松 2009 激光与红外 39 724]
[26]	Shen F H, Shu Z F, Sun D S, Wang Z C, Xue X H, Chen T D, Dou X K 2011 Acta Phys. Sin. 60 060704 (in Chinese) [沈法华, 舒志峰, 孙东松, 王忠纯, 薛向辉, 陈廷娣, 窦贤康 2011 物理学报 60 060704]
[27]	Shen F H, Shu Z F, Sun D S, Wang Z C, Xue X H, Chen T D, Dou X K 2012 Acta Phys. Sin. 61 030702 (in Chinese) [沈法华, 舒志峰, 孙东松, 王忠纯, 薛向辉, 陈廷娣, 窦贤康 2012 物理学报 61 030702]
[28]	Marseille G J, Stoffelen A 2003 Q. J. R. Meteorol. Soc. 129 3079
[29]	Sun X J, Zhang R W, Marseille G J, Stoffelen A, Donovan D, Liu L, Zhao J 2014 Atmos. Meas. Tech. Discuss. 7 1393
[30]	Zhang G X, Zhao Y F, Zhang Y C, Zhao P T 2008 Acta Phys. Sin. 57 7390 (in Chinese) [张改霞, 赵曰峰, 张寅超, 赵培涛 2008 物理学报 57 7390]
[31]	Liu H T, Chen L F, Su L 2011 Acta Phys. Sin. 60 064204 (in Chinese) [刘厚通, 陈良富, 苏林 2011 物理学报 60 064204]
[32]	Zhang J Q, Chen H B, Li Z Q, Fan X H, Peng L, Yu Y, Cribb M 2010 J. Geophys. Res. 115 D00K30

[1]	郭禧庆, 周静, 王晨曦, 秦琛, 郭成哲, 李刚, 张鹏飞, 张天才. 地基引力波探测激光干涉仪的真空残余气体噪声分析. 物理学报, 2024, 73(5): 050401. doi: 10.7498/aps.73.20231462
[2]	王松, 周闯, 李素文, 牟福生. 基于法布里-珀罗干涉仪测量大气环境CO₂的方法. 物理学报, 2024, 73(2): 020702. doi: 10.7498/aps.73.20231224
[3]	李文文, 惠宁菊, 李存霞, 刘洋河, 方妍, 李凌青, 王彦龙, 唐远河. 多普勒非对称空间外差仪探测高层大气风速的三种方法比较研究. 物理学报, 2023, 72(24): 240601. doi: 10.7498/aps.72.20231292
[4]	张亚飞, 冯玉涛, 傅頔, 畅晨光, 李娟, 白清兰, 胡炳樑. 基于分段边缘拟合的测风多普勒差分干涉仪成像热漂移监测方法. 物理学报, 2022, 71(8): 084201. doi: 10.7498/aps.71.20212086
[5]	孙晨, 冯玉涛, 傅頔, 张亚飞, 李娟, 刘学斌. 多普勒差分干涉仪干涉图信噪比对相位不确定度研究. 物理学报, 2020, 69(1): 014202. doi: 10.7498/aps.69.20191179
[6]	狄慧鸽, 华杭波, 张佳琪, 张战飞, 华灯鑫, 高飞, 汪丽, 辛文辉, 赵恒. 高光谱分辨率激光雷达鉴频器的设计与分析. 物理学报, 2017, 66(18): 184202. doi: 10.7498/aps.66.184202
[7]	王骏, 崔萌, 陆红, 汪丽, 闫庆, 刘晶晶, 华灯鑫. 基于固体腔扫描法布里-珀罗干涉仪的大气温度绝对探测方法研究. 物理学报, 2017, 66(8): 089202. doi: 10.7498/aps.66.089202
[8]	唐远河, 崔进, 郜海阳, 屈欧阳, 段晓东, 李存霞, 刘丽娜. 地基气辉成像干涉仪探测高层大气风场的定标研究. 物理学报, 2017, 66(13): 130601. doi: 10.7498/aps.66.130601
[9]	张锐, 田小程, 周丹丹, 朱娜, 王振国, 李宏勋, 王建军, 李明中, 许党朋, 党钊, 胡东霞, 朱启华, 郑万国, 王峰. 神光-III激光装置时标激光和任意反射面速度干涉仪探针光源产生技术. 物理学报, 2016, 65(2): 024203. doi: 10.7498/aps.65.024203
[10]	葛烨, 舒嵘, 胡以华, 刘豪. 大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统设计与性能仿真. 物理学报, 2014, 63(20): 204301. doi: 10.7498/aps.63.204301
[11]	青海银, 张援农, 周晨, 赵正予, 陈罡. 基于MST雷达垂直风速的大气温度剖面反演. 物理学报, 2014, 63(9): 094301. doi: 10.7498/aps.63.094301
[12]	谭林秋, 华灯鑫, 汪丽, 高飞, 狄慧鸽. Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术. 物理学报, 2014, 63(22): 224205. doi: 10.7498/aps.63.224205
[13]	张日伟, 孙学金, 严卫, 赵剑, 刘磊, 李岩, 张传亮, 周俊浩. 星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(Ⅱ)：基于Fabry-Perot标准具的Rayleigh通道大气风速反演研究. 物理学报, 2014, 63(14): 140703. doi: 10.7498/aps.63.140703
[14]	杜军, 赵卫疆, 曲彦臣, 陈振雷, 耿利杰. 基于相位调制器与Fabry-Perot干涉仪的激光多普勒频移测量方法. 物理学报, 2013, 62(18): 184206. doi: 10.7498/aps.62.184206
[15]	殷丽梅, 张伟刚, 薛晓琳, 白志勇, 魏石磊. 飞秒激光刻蚀非平行壁光纤微腔Mach-Zehnder干涉仪特性及其流体传感研究. 物理学报, 2012, 61(17): 170701. doi: 10.7498/aps.61.170701
[16]	阮锴, 张淳民, 赵葆常. 高层大气风场探测改型大光程差Sagnac干涉仪全视场角光程差与横向剪切量的精确计算. 物理学报, 2008, 57(9): 5435-5441. doi: 10.7498/aps.57.5435
[17]	郑无敌, 张国平, 王琛, 孙今人, 方智恒, 顾援, 傅思祖. 用X射线激光M-Z干涉仪诊断点聚焦CH等离子体电子密度. 物理学报, 2007, 56(7): 3984-3989. doi: 10.7498/aps.56.3984
[18]	徐信业, 王育竹. 多普勒型原子干涉仪的理论探讨. 物理学报, 1997, 46(6): 1062-1072. doi: 10.7498/aps.46.1062
[19]	激光干涉研究小组. 以巨脉冲红宝石激光为光源的Mach-Zehnder干涉仪应用于θ收缩等离子体的研究. 物理学报, 1974, 23(1): 1-16. doi: 10.7498/aps.23.1
[20]	胡建芳, 韦钦, 张志三. 锗红外干涉仪. 物理学报, 1964, 20(11): 1164-1171. doi: 10.7498/aps.20.1164

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