相干多普勒激光雷達數(shù)據(jù)反演方法和實驗研究結題摘要

大氣三維風場測量在氣象和環(huán)境等領域具有重要應用。項目開展了全光纖相干測風激光雷達研究，解決了單頻脈沖激光源、實時信號處理單元以及數(shù)據(jù)反演方法等關鍵技術難點，開展了激光雷達風速測量的外場驗證試驗。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。實時信號處理單元，采用基于FPGA的信號處理器，實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量的實時處理。數(shù)據(jù)反演方法，采用理論模擬結合實驗數(shù)據(jù)，開展了激光雷達數(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，考慮實時信號處理要求最后選取了FFT頻譜法。在發(fā)射激光能量40μJ，激光雷達望遠鏡口徑100mm時，實現(xiàn)了水平風速測量最大探測距離4.6km，垂直風速測量最大探測距離2.6km，距離分辨率75m，風速測量精度小于0.5m/s。激光測風雷達將在航空氣象安全、風能評估等領域得到重要應用。

大氣三維風場測量在氣象、環(huán)境和軍事上具有重要應用。項目對連續(xù)相干激光雷達進行改造，實現(xiàn)一定距離的三維大氣風場剖面實時測量。利用實際的大氣參數(shù)，建立仿真模型，研究風速數(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引起的誤差，為了提高信噪比對背景噪聲進行校正，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。進行相干激光雷達風速測量實驗，對比其他觀測手段獲取的風速，對數(shù)據(jù)反演算法進行驗證和改進,實現(xiàn)高精度反演大氣風速剖面。開展相干激光雷達連續(xù)的風速觀測實驗，收集大量低空實時高精度風剖面數(shù)據(jù)，以滿足相關領域的應用需求。

全面系統(tǒng)地實現(xiàn)了用線性規(guī)劃反演法求取波阻抗參數(shù)的目標，除理論模型外，己用理。研究并實現(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償位的校正。并對這些方法均有所發(fā)展與改進，如：闡明K－L變換的濾波構公式，頻率補償只對反射系數(shù)進行，子波剩余相位處理避免了提取零性反轉等。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。 一維波動方程波阻抗反演方法的研究中，對國外有關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現(xiàn)，并取得優(yōu)于國內外績，使一維波方程反演法向實用化方向前進一步。 該成果對于確定的分布，進而圈定地下油氣邊界有很大參考價值，對于地震偏移也是不 2100433B

1.1 研究內容

水文實驗研究一般可劃分為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、泥沙、冰清等）實驗研究；（2）自然區(qū)域（以山區(qū)、平原區(qū)、河網(wǎng)區(qū)劃分或以濕潤區(qū)、干旱區(qū)劃分，或喀斯特區(qū)、牧區(qū)等）水文實驗研究；（3）人類活動的水文效應（森林、城市、農業(yè)、水利工程等）實驗研究；（4）水文測試技術（實驗途徑、測試儀器和方法、新技術應用等）實驗研究。

水文實驗研究1.2 研究途徑

可概括為基于水量平衡原理和對比實驗兩種途徑。前者要求對一個流域系統(tǒng)，除觀測降雨和徑流外，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場和近期發(fā)展起來的實驗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地或土柱體（如蒸滲儀）進行蒸發(fā)和土壤水動態(tài)物理模擬實驗，也屬于此類途徑。對比實驗研究的方法，廣泛應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，突出所要對比實驗的因素，對同一流域進行前后對比，或一組流域進行平行對比。對于山區(qū)流域，由于其特性差異很大，一般缺乏可對比的條件。同時，對于有些人類活動措施，如城市化、水利水保工程措施等，也很少具有平行對比的條件。因而較多地采取前后對比實驗的途徑。

水文實驗研究1.3 研究程序

基本上可分為3個階段：根據(jù)任務要求進行實驗設計：完善測試技術手段，保證資料的精度和完整性；及時分析研究實驗結果。與一般水文站閘觀測要求不同，水文實驗研究不是為了積累資料，而是依據(jù)所提任務具有明確求解目的的研究工作。因此首先需要進行實驗設計，即針對課題任務在制定初步求解方式的前提下，對實驗場所的選定、實驗的方式和途徑、觀測試驗項目的數(shù)量及其組合等實驗方案，作出盡可能周密和科學的安排。在實驗進程中，要階段性地檢驗和修正方案設計，使研究不斷深化，以達到求解和近似求解的目的。正確的測試技術和方法是保證水文實驗研究取得成果的核心，比常規(guī)水文測驗要求更加嚴格。這不僅指某個要素的實時觀測試驗要求有一定的精度，更重要的是，對課題內容有關要素觀測試驗的精度（包括時程和數(shù)值）和實驗數(shù)據(jù)的記錄處理要求相應配套，具有對比性。有些實驗，尤其是室內的模擬裝置，可應用計算機技術控制實驗過程，在觀測試驗作業(yè)、數(shù)據(jù)采集、信息處理等方面構成一個自動化或半自動化的系統(tǒng)。實驗結果的分析，有數(shù)學物理方程求解，建立確定性水文數(shù)學模型作參數(shù)識別及統(tǒng)計分析等兩三種方法進行分析研究。