相干测风激光雷达可实现远距离、多参数、高时空分辨率、高精度的中高层风场观测,在风切变探测、飞机尾流探测、大气湍流探测和风能发电等领域具有广泛的应用。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是相干测风激光雷达信号处理的难点。相对于传统的时域或频域处理方法,联合时频分析从时频域刻画信号可视性全貌,揭示信号频率分量随时间的变化过程,淹没在噪声中的信号通过联合时频分析和多组累加的方式更容易识别出来。时频分析保持了对远场弱信号风速估计的连续性,提高了距离分辨率和时间分辨率,改善了信噪比,反映出风速变化的丰富细节。本论文的主要工作如下:1.回顾了相干测风激光雷达和联合时频分析的国内外研究现状,概述联合时频分析在激光雷达中的研究成果和应用趋势。分析基于激光多普勒效应测量大气风场的基本原理,介绍了激光雷达典型的系统组成,建立了相干测风激光雷达的大气分层模型,论述了常用的风速估计算法如脉冲对算法、最大似然估计法和周期图最大值法,推导相干测风激光雷达基本性能参数,讨论了时频方法的基本理论。2.基于大气分层模型仿真生成相干测风激光雷达大气回波时域信号,采用线性时频分布、Cohen类时频分布、重排类时频分布和自适应最优核时频分布对模拟回波信号进行时频分析,分析时频方法的时频特征,比较其设计准则和性能差异。3.使用1.5μm相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测,将谱图、自适应最优核时频分布和周期图最大值法应用于实测数据,对比分析风速反演结果。实测结果表明在可探测范围内风速分布在-3.5m/s-0m/s之间,约1.1 km左右出现的风切变是由于风场峡谷效应而形成的。通过对比实验和连续观测论证自适应最优核时频分布在3km内,当距离分辨率为1.2m、时间分辨率为0.2s时能够直观体现出风场变化的丰富细节,3km后经平滑保.持了对远场弱信号风速估计的连续性。