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风是研究气候变化和大气科学的一个重要参量,利用大气风场数据可以获得大气的变化过程,促进人类对能量、水、大气气溶胶、化学和其他空气物质圈的了解,提高气象分析与全球气候变化的预测能力。精确的大气风场资料可以提高数值天气预报、中长期气候预报的准确性;减少和预防各类航空飞行器起飞和着落过程中事故和灾害的发生。因此,开展三维风场分布的探测研究是十分必要的。双Fabry-Perot标准具具有高精度和高速度灵敏度等特性,是多普勒频率检测的理想器件。基于Fabry-Perot标准具的多普勒测风激光雷达系统具有高测量精度、高时空分辨率、高稳定性以及小型化等特点,是目前唯一能实现全球范围三维大气风场遥测的有效工具。
本文在对基于双Fabry-Perot标准具的双边缘技术进行深入理论分析的基础之上,建立了我国首台基于Fabry-Perot标准具的多普勒激光雷达。完成了激光器波长输出性能的调试与检测、后继光学单元光束发散角的实验测量和标准具透过率的稳定性研究,确保了激光器频率的稳定性,验证了光学系统设计的合理性和光学机械结构的稳定性;编写了多普勒测风激光雷达的锁频软件、系统控制运行软件和数据处理软件,提高了该激光雷达水平风速探测的精度,实现了系统的高度自动化,为实现无人值守的激光雷达系统奠定了基础;通过校准确定了该系统的可靠性;利用研制的多普勒测风激光雷达对合肥地区三维风场进行了测量,给出了典型结果,并与新一代多普勒天气微波雷达进行对比实验,结果证明了系统的可靠性;分析了系统的测量精度,表明了该激光雷达性能的稳定性和数据的准确性,满足高精度风场的测量需求,有能力为气象学和大气动力学提供高精度的三维风场数据,为基于分子散射的测风激光雷达和星载多普勒激光雷达进行全球大气风场观测奠定了技术基础。