中国科学技术大学贾晓东博士的学位论文《1.55 μm相干测风激光雷达样机的研制》（Development of 1.55 μm Coherent Lidar for Wind Sensing）是一项关于脉冲相干测风激光雷达系统设计与优化的原创性研究。该研究于2015年5月4日完成，导师为孙东松教授，学科专业为空间物理（Space Physics）。论文通过万方数据平台发布，属于典型的工程应用型研究，旨在解决大气风场遥感中的关键技术问题。

学术背景与目标
大气风场探测在航空安全（如风切变预警、飞机尾流监测）、风能发电效率提升等领域具有重要应用价值。传统风杯式风速计（anemometer）存在时空分辨率低、无法远程测量等局限。脉冲相干测风激光雷达（Coherent Doppler Lidar）因其高精度、高时空分辨率的特点，成为晴空条件下大气矢量风场探测的有效工具。研究团队基于1.55 μm光纤激光器（fiber laser）的工作波长（人眼安全波段）及光纤技术的优势（结构紧凑、稳定性高），研制了一套性能优化的相干测风激光雷达系统，目标实现3 km探测距离、60 m距离分辨率、±30 m/s风速测量范围及0.5 m/s的测量精度。

研究流程与方法
1. 系统设计与理论建模
- 载噪比（CNR, Carrier-to-Noise Ratio）优化：提出后向传播本振（BPLO, Back-Propagated Local Oscillator）方法，将本振光反向传播至气溶胶目标平面，简化载噪比计算。通过理论推导证明，当天线截断比（truncation ratio）为0.823时，系统天线效率（antenna efficiency）达到最大值0.422。
- 光学参数优化：基于蒙特卡洛仿真（Monte Carlo simulation），确定扩束望远镜放大倍率为14倍、口径为64.3 mm，确保3600 m探测距离下CNR高于-37 dB。

1. 风速反演算法开发

   • 最大似然离散谱峰值估计（ML DSP, Maximum Likelihood Discrete Spectral Peak）：针对气溶胶后向散射信号（aerosol backscattering signal）的零均值复高斯随机过程特性，建立协方差矩阵统计模型，推导克拉美-罗下界（CRLB, Cramér-Rao Lower Bound）。仿真结果表明：在信噪比（SNR）为-20 dB、100次脉冲累积时，风速估计标准差为0.62 m/s；SNR为-30 dB、10000次累积时，标准差降至0.50 m/s。
     
   • 并行计算实现：采用4颗TMS320C6678数字信号处理器（DSP）板卡，通过单指令多数据（SIMD）架构分配任务，实现1秒时间分辨率的实时风速反演。

2. 硬件系统研制与实验验证

   • 核心组件：包括掺铒光纤放大器（EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier）、偏振分束器（PBS, Polarizing Beam Splitter）、λ/4波片（quarter-wave plate）及平衡光电探测器（balanced photodetector）。
     
   • 性能测试：
     
     • 转动圆盘校准：直线拟合可决系数（R²）达0.999，斜率1.002，速度测量标准方差0.48 m/s。
       
     • 静止目标验证：3.73 km处大楼探测概率100%，精度0.06 m/s。
       
     • 实际风场观测：通过平面位置指示器（PPI, Plan Position Indicator）扫描获得连续风场数据。

主要结果与结论
1. 性能指标达成：实际探测距离达3.6 km（优于设计指标3 km），载噪比理论值与实验值在300-2700 m范围内吻合良好。
2. 算法优势：ML DSP算法的CRLB低于传统Fisher信息矩阵理论值，在3600 m范围内探测概率99.99%，精度0.22 m/s（1000次脉冲累积）。
3. 工程价值：系统结构紧凑、工作稳定，为航空安全预警、风能资源评估提供了可靠工具。

创新点与亮点
1. 理论创新：BPLO方法显著简化载噪比计算流程，为相干激光雷达设计提供新思路。
2. 算法突破：ML DSP算法结合并行计算，实现高精度实时风速反演。
3. 工程集成：全光纤设计（all-fiber design）提升系统可靠性，64.3 mm望远镜口径优化平衡性能与成本。

应用前景
该研究成果可进一步拓展至机载激光雷达（airborne lidar）、风切变预警系统（wind shear warning system）及军事气象监测等领域。论文中开发的GUI软件（基于Visual Studio C++ 6.0）和并行计算架构为后续商业化设备开发奠定了基础。