摘要
多普勒测风激光雷达根据探测原理不同，可分为相干和直接探测多普勒激光雷达两种。前者以高时空分辨率、高探测精度、多扫描模式、晴空探测等优势在环境监测、航空预警、大气动力学研究等领域得到了广泛应用，其中，大气边界层内的湍流探测应用是当前研究的前沿和热点问题之一。直接探测多普勒激光雷达可采用气溶胶粒子和大气分子作为示踪粒子，可进一步提高风场观测的垂直范围，成为星载测风激光雷达的首选。欧洲空间局于2018年8月22日成功发射了全球首颗星载测风激光雷达卫星ADM-Aeolus，其搭载的唯一载荷ALADIN为直接探测多普勒激光雷达。在该卫星发射之前，德国宇航中心大气物理研究所已成功研制了ALADIN机载样机A2D(ALADINairbornedemonstrator)，可为优化Aeolus的风场反演方法提供重要依据。 本文基于我国自主研发的1.55μm相干多普勒激光雷达与德国宇航中心大气物理研究所研制的A2D设备，分别对相干多普勒激光雷达在大气边界层、大型风电机组尾流、飞机尾涡三种典型尺度的湍流探测反演方法与A2D在风场反演中的定标关键技术两大部分内容开展研究，主要研究工作及成果如下： 1.采用相干多普勒激光雷达垂直指向观测模式对边界层内的垂直速度方差、高阶矩以及湍流积分时间尺度垂直结构进行了反演分析。首先，根据湍流能谱密度以及湍流积分时间尺度判定激光雷达时间分辨率是否满足湍流探测要求。然后，采用自协方差拟合方法对系统的随机误差贡献进行校正。最后，分别采用信噪比Haar小波协方差变换、垂直速度方差阈值法对边界层高度进行反演。基于各统计参数的物理含义，对晴空条件下的边界层湍流日变化特征进行了综合分析，验证了相干多普勒激光雷达垂直指向观测模式进行边界层湍流研究的可行性。基于该方法对不同下垫面、边界层类型情况下的大气边界层湍流特征进行长期观测，可为评估边界层参数化方案提供重要参考依据。 2.以大型风电机组尾流为例，研究了相干多普勒激光雷达PPI(planepositionindicator)扫描风场的湍流反演问题。采用激光雷达探测体积平均效应下的横向结构函数与修正模型对大气湍能耗散率、湍流特征积分尺度以及速度标准差进行了反演分析。首次对包括复杂山地、潮间带、平坦戈壁在内的不同下垫面情况下的风机尾流和大气湍流特征进行了实验观测与分析，定量比较了不同下垫面情况下的尾流区与背景风场的大气湍流特征，并根据实例统计分析了尾流特征演变与背景平均风场、湍流特征的相互作用。相关研究对于风电机组精细化选址、风机布局优化以及风电场整场发电量提升等方面有重要应用价值。 3.以飞机尾涡典型小尺度风场为例，研究了相干多普勒激光雷达探测体积内的谱宽特征以及RHI(rangeheightindicator)扫描风场的湍流反演问题。利用谱宽极值判定尾涡切向速度时，将大气背景湍流、数据处理等过程引入的系统展宽考虑在内；基于尾涡场与背景湍流场的模拟分析结果，进一步优化了尾涡环量特征计算中的半径选取范围与阈值选取问题；首次就因激光雷达扫描引起的环量形变效应进行了校正。通过选取合适的拟合滞后区间，将高度结构函数与修正模型进行最小二乘法拟合，得大气湍能耗散率、湍流特征积分尺度以及速度标准差等湍流特征参数。基于观测反演结果对近地面效应下的尾涡演变与大气湍流、侧风影响进行了统计分析。相关研究为航空飞行安全与效率提升提供了有效的探测分析工具。 4.针对直接探测多普勒激光雷达A2DRayleigh通道因大气特征（温度、压强等）与硬件系统的改变引入的风场反演误差问题，首次提出了A2D基于模拟Rayleigh响应定标曲线的风速反演优化算法。基于地基与机载观测实验，对A2D内部参考通道与大气后向散射信号通道的双Fabry-Perot干涉仪透过率曲线进行了判定与优化；利用探空气球数据对风场反演结果进行比对分析，结果表明优化后的反演结果较现有方法反演结果具有更好的系统误差（优化方法：0.05m/s，现有方法：0.23m/s）和相比拟的随机误差（优化方法：2.52m/s，现有方法：2.20m/s），且可有效提高低空风速的反演精度，进一步验证了优化算法的可靠性与稳定性。相关研究可为ALADINRayleigh通道风场反演结果的质量评估与优化提供重要参考依据。
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