相干多普勒激光雷达数据反演方法和实验研究

大气三维风场测量在气象和环境等领域具有重要应用。项目开展了全光纤相干测风激光雷达研究，解决了单频脉冲激光源、实时信号处理单元以及数据反演方法等关键技术难点，开展了激光雷达风速测量的外场验证试验。单频脉冲激光源，通过非线性抑制方法，提升了激光器输出功率。实时信号处理单元，采用基于FPGA的信号处理器，实现了大数据量的实时处理。数据反演方法，采用理论模拟结合实验数据，开展了激光雷达数据反演及其噪声校正方法研究，包括FFT频谱法、PPP算法、PM算法和ML最大概似法等，考虑实时信号处理要求最后选取了FFT频谱法。在发射激光能量40μJ，激光雷达望远镜口径100mm时，实现了水平风速测量最大探测距离4.6km，垂直风速测量最大探测距离2.6km，距离分辨率75m，风速测量精度小于0.5m/s。激光测风雷达将在航空气象安全、风能评估等领域得到重要应用。

大气三维风场测量在气象、环境和军事上具有重要应用。项目对连续相干激光雷达进行改造，实现一定距离的三维大气风场剖面实时测量。利用实际的大气参数，建立仿真模型，研究风速数据反演算法。在数据处理算法中，消除激光频率短期抖动引起的误差，为了提高信噪比对背景噪声进行校正，研究不同的功率谱中心频率提取算法，比较算法反演性能，选取合适的数据反演算法。进行相干激光雷达风速测量实验，对比其他观测手段获取的风速，对数据反演算法进行验证和改进,实现高精度反演大气风速剖面。开展相干激光雷达连续的风速观测实验，收集大量低空实时高精度风剖面数据，以满足相关领域的应用需求。

全面系统地实现了用线性规划反演法求取波阻抗参数的目标，除理论模型外，己用理。研究并实现了一系列反演予括：用K－L变换提高多道地震记录信噪比、地震记录的高频和低频补偿位的校正。并对这些方法均有所发展与改进，如：阐明K－L变换的滤波构公式，频率补偿只对反射系数进行，子波剩余相位处理避免了提取零性反转等。以上方法不仅适用于反演予处理，也可用于提高一般地震资分辨率。 一维波动方程波阻抗反演方法的研究中，对国外有关的各了详尽的研究与完善，如：直接反演法中高精度格式的提出，最优控制有公式的纠正，Bamberg反演法中公式的推导等，还提出了化成平方和小问题反演法。这些方法己在理论模型上付诸实现，并取得优于国内外绩，使一维波方程反演法向实用化方向前进一步。 该成果对于确定的分布，进而圈定地下油气边界有很大参考价值，对于地震偏移也是不 2100433B

1.1 研究内容

水文实验研究一般可划分为4种类型：（1）水文循环要素（降水、蒸发、径流、土壤水、地下水、水质、泥沙、冰清等）实验研究；（2）自然区域（以山区、平原区、河网区划分或以湿润区、干旱区划分，或喀斯特区、牧区等）水文实验研究；（3）人类活动的水文效应（森林、城市、农业、水利工程等）实验研究；（4）水文测试技术（实验途径、测试仪器和方法、新技术应用等）实验研究。

水文实验研究1.2 研究途径

可概括为基于水量平衡原理和对比实验两种途径。前者要求对一个流域系统，除观测降雨和径流外，主要研究径流形成的中间环节，如蒸发、土壤水、地下水等，以深入探索径流形成的物理过程。早期的坡面水平衡试验场和近期发展起来的实验流域就是这种途径的典型代表。利用条件更概化和单一的场地或土柱体（如蒸渗仪）进行蒸发和土壤水动态物理模拟实验，也属于此类途径。对比实验研究的方法，广泛应用于探索自然的或人为因素在径流过程中的作用。这种方法要求有意思地寻求流域下垫面特性，突出所要对比实验的因素，对同一流域进行前后对比，或一组流域进行平行对比。对于山区流域，由于其特性差异很大，一般缺乏可对比的条件。同时，对于有些人类活动措施，如城市化、水利水保工程措施等，也很少具有平行对比的条件。因而较多地采取前后对比实验的途径。

水文实验研究1.3 研究程序

基本上可分为3个阶段：根据任务要求进行实验设计：完善测试技术手段，保证资料的精度和完整性；及时分析研究实验结果。与一般水文站闸观测要求不同，水文实验研究不是为了积累资料，而是依据所提任务具有明确求解目的的研究工作。因此首先需要进行实验设计，即针对课题任务在制定初步求解方式的前提下，对实验场所的选定、实验的方式和途径、观测试验项目的数量及其组合等实验方案，作出尽可能周密和科学的安排。在实验进程中，要阶段性地检验和修正方案设计，使研究不断深化，以达到求解和近似求解的目的。正确的测试技术和方法是保证水文实验研究取得成果的核心，比常规水文测验要求更加严格。这不仅指某个要素的实时观测试验要求有一定的精度，更重要的是，对课题内容有关要素观测试验的精度（包括时程和数值）和实验数据的记录处理要求相应配套，具有对比性。有些实验，尤其是室内的模拟装置，可应用计算机技术控制实验过程，在观测试验作业、数据采集、信息处理等方面构成一个自动化或半自动化的系统。实验结果的分析，有数学物理方程求解，建立确定性水文数学模型作参数识别及统计分析等两三种方法进行分析研究。