相干多普勒激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演方法和實(shí)驗(yàn)研究

大氣三維風(fēng)場(chǎng)測(cè)量在氣象和環(huán)境等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。項(xiàng)目開展了全光纖相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)研究，解決了單頻脈沖激光源、實(shí)時(shí)信號(hào)處理單元以及數(shù)據(jù)反演方法等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，開展了激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量的外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)。單頻脈沖激光源，通過非線性抑制方法，提升了激光器輸出功率。實(shí)時(shí)信號(hào)處理單元，采用基于FPGA的信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)處理。數(shù)據(jù)反演方法，采用理論模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開展了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演及其噪聲校正方法研究，包括FFT頻譜法、PPP算法、PM算法和ML最大概似法等，考慮實(shí)時(shí)信號(hào)處理要求最后選取了FFT頻譜法。在發(fā)射激光能量40μJ，激光雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡口徑100mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)了水平風(fēng)速測(cè)量最大探測(cè)距離4.6km，垂直風(fēng)速測(cè)量最大探測(cè)距離2.6km，距離分辨率75m，風(fēng)速測(cè)量精度小于0.5m/s。激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)將在航空氣象安全、風(fēng)能評(píng)估等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

大氣三維風(fēng)場(chǎng)測(cè)量在氣象、環(huán)境和軍事上具有重要應(yīng)用。項(xiàng)目對(duì)連續(xù)相干激光雷達(dá)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)一定距離的三維大氣風(fēng)場(chǎng)剖面實(shí)時(shí)測(cè)量。利用實(shí)際的大氣參數(shù)，建立仿真模型，研究風(fēng)速數(shù)據(jù)反演算法。在數(shù)據(jù)處理算法中，消除激光頻率短期抖動(dòng)引起的誤差，為了提高信噪比對(duì)背景噪聲進(jìn)行校正，研究不同的功率譜中心頻率提取算法，比較算法反演性能，選取合適的數(shù)據(jù)反演算法。進(jìn)行相干激光雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)比其他觀測(cè)手段獲取的風(fēng)速，對(duì)數(shù)據(jù)反演算法進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn),實(shí)現(xiàn)高精度反演大氣風(fēng)速剖面。開展相干激光雷達(dá)連續(xù)的風(fēng)速觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，收集大量低空實(shí)時(shí)高精度風(fēng)剖面數(shù)據(jù)，以滿足相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

全面系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了用線性規(guī)劃反演法求取波阻抗參數(shù)的目標(biāo)，除理論模型外，己用理。研究并實(shí)現(xiàn)了一系列反演予括：用K－L變換提高多道地震記錄信噪比、地震記錄的高頻和低頻補(bǔ)償位的校正。并對(duì)這些方法均有所發(fā)展與改進(jìn)，如：闡明K－L變換的濾波構(gòu)公式，頻率補(bǔ)償只對(duì)反射系數(shù)進(jìn)行，子波剩余相位處理避免了提取零性反轉(zhuǎn)等。以上方法不僅適用于反演予處理，也可用于提高一般地震資分辨率。 一維波動(dòng)方程波阻抗反演方法的研究中，對(duì)國(guó)外有關(guān)的各了詳盡的研究與完善，如：直接反演法中高精度格式的提出，最優(yōu)控制有公式的糾正，Bamberg反演法中公式的推導(dǎo)等，還提出了化成平方和小問題反演法。這些方法己在理論模型上付諸實(shí)現(xiàn)，并取得優(yōu)于國(guó)內(nèi)外績(jī)，使一維波方程反演法向?qū)嵱没较蚯斑M(jìn)一步。 該成果對(duì)于確定的分布，進(jìn)而圈定地下油氣邊界有很大參考價(jià)值，對(duì)于地震偏移也是不 2100433B

1.1 研究?jī)?nèi)容

水文實(shí)驗(yàn)研究一般可劃分為4種類型：（1）水文循環(huán)要素（降水、蒸發(fā)、徑流、土壤水、地下水、水質(zhì)、泥沙、冰清等）實(shí)驗(yàn)研究；（2）自然區(qū)域（以山區(qū)、平原區(qū)、河網(wǎng)區(qū)劃分或以濕潤(rùn)區(qū)、干旱區(qū)劃分，或喀斯特區(qū)、牧區(qū)等）水文實(shí)驗(yàn)研究；（3）人類活動(dòng)的水文效應(yīng)（森林、城市、農(nóng)業(yè)、水利工程等）實(shí)驗(yàn)研究；（4）水文測(cè)試技術(shù)（實(shí)驗(yàn)途徑、測(cè)試儀器和方法、新技術(shù)應(yīng)用等）實(shí)驗(yàn)研究。

水文實(shí)驗(yàn)研究1.2 研究途徑

可概括為基于水量平衡原理和對(duì)比實(shí)驗(yàn)兩種途徑。前者要求對(duì)一個(gè)流域系統(tǒng)，除觀測(cè)降雨和徑流外，主要研究徑流形成的中間環(huán)節(jié)，如蒸發(fā)、土壤水、地下水等，以深入探索徑流形成的物理過程。早期的坡面水平衡試驗(yàn)場(chǎng)和近期發(fā)展起來的實(shí)驗(yàn)流域就是這種途徑的典型代表。利用條件更概化和單一的場(chǎng)地或土柱體（如蒸滲儀）進(jìn)行蒸發(fā)和土壤水動(dòng)態(tài)物理模擬實(shí)驗(yàn)，也屬于此類途徑。對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究的方法，廣泛應(yīng)用于探索自然的或人為因素在徑流過程中的作用。這種方法要求有意思地尋求流域下墊面特性，突出所要對(duì)比實(shí)驗(yàn)的因素，對(duì)同一流域進(jìn)行前后對(duì)比，或一組流域進(jìn)行平行對(duì)比。對(duì)于山區(qū)流域，由于其特性差異很大，一般缺乏可對(duì)比的條件。同時(shí)，對(duì)于有些人類活動(dòng)措施，如城市化、水利水保工程措施等，也很少具有平行對(duì)比的條件。因而較多地采取前后對(duì)比實(shí)驗(yàn)的途徑。

水文實(shí)驗(yàn)研究1.3 研究程序

基本上可分為3個(gè)階段：根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：完善測(cè)試技術(shù)手段，保證資料的精度和完整性；及時(shí)分析研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與一般水文站閘觀測(cè)要求不同，水文實(shí)驗(yàn)研究不是為了積累資料，而是依據(jù)所提任務(wù)具有明確求解目的的研究工作。因此首先需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即針對(duì)課題任務(wù)在制定初步求解方式的前提下，對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的選定、實(shí)驗(yàn)的方式和途徑、觀測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目的數(shù)量及其組合等實(shí)驗(yàn)方案，作出盡可能周密和科學(xué)的安排。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，要階段性地檢驗(yàn)和修正方案設(shè)計(jì)，使研究不斷深化，以達(dá)到求解和近似求解的目的。正確的測(cè)試技術(shù)和方法是保證水文實(shí)驗(yàn)研究取得成果的核心，比常規(guī)水文測(cè)驗(yàn)要求更加嚴(yán)格。這不僅指某個(gè)要素的實(shí)時(shí)觀測(cè)試驗(yàn)要求有一定的精度，更重要的是，對(duì)課題內(nèi)容有關(guān)要素觀測(cè)試驗(yàn)的精度（包括時(shí)程和數(shù)值）和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄處理要求相應(yīng)配套，具有對(duì)比性。有些實(shí)驗(yàn)，尤其是室內(nèi)的模擬裝置，可應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)控制實(shí)驗(yàn)過程，在觀測(cè)試驗(yàn)作業(yè)、數(shù)據(jù)采集、信息處理等方面構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)化或半自動(dòng)化的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，有數(shù)學(xué)物理方程求解，建立確定性水文數(shù)學(xué)模型作參數(shù)識(shí)別及統(tǒng)計(jì)分析等兩三種方法進(jìn)行分析研究。