手持式激光测云仪的信号采集与处理技术研究

发布时间：2019-10-15 15:47

【摘要】：激光测云仪是常用的云底高观测设备,其工作原理是发射一组激光脉冲,通过提取激光脉冲的回波峰值识别云底,根据激光脉冲的往返时间计算云底高度。常用的手持式激光测云仪的信息处理部分采用模拟电路设计,以单脉冲计数的工作方式对云底高度进行探测,在实际工作中容易受到噪声、气溶胶的干扰,对云底识别不准确,造成“虚测” “漏测”现象,不能实时准确报告云底高度,影响航空机场地面预报保障能力。针对单脉冲激光测云仪模拟信息处理电路无法准确识别云底高度的问题,提出了在激光回波接收处理端加装基于组合逻辑控制的数字化采集处理模块,通过组合逻辑电路对高速AD转换器与双口 RAM的时序控制,完成对回波强度信息的数字化采样,利用ARM对回波强度采样数据进行多维信息综合处理,实现云底高的精确测量。具体工作内容如下:(1)针对常用的手持式激光测云仪直接采用电平阈值比较法确定云底、容易造成识别不准确的问题,研究在其接收端加装数字处理模块,采用数字化高速采样与多维信息综合识别云底结合的设计方案,对手持式激光测云仪进行改进。(2)基于STM32F103VCT6微控制器完成对硬件电路的设计,将系统框架分为采集模块、处理模块、存储模块、通信单元模块、时钟模块与电源模块。重点设计了以组合逻辑电路为时序控制的采集模块,代替了原本繁琐复杂的软件控制,而且降低了对微控制器主频的要求。(3)利用开发工具Keil MDK4与Visual C++语言,完成数字化高速采样系统的软件开发,实现数据高速采集、EEPROM保存、USART数据传输等功能。并设计多维信息综合处理算法,分别从强度、高度、宽度三个维度对云底进行综合识别。(4)对系统的软硬件模块分别进行测试验证,检验了数字化高速采样系统、存储系统、通信系统等各个模块的功能,并验证了多维信息综合处理方法对云底识别的有效性。改进后的手持式激光测云仪可以对4500m内的云层进行观探测,并可储存超过100次带有时间信息、以7.5m为采样间隔的大气回波数据,通过反演算法处理大气回波数据得到云底高信息,并与CHM15K测云仪作对比试验,两者匹配的云底高度较为一致。最后对硬件和算法存在的问题提出了改进措施与展望。
【图文】：

云底高,天空,宏观特征,云顶

逦第一章概述第一章概述逡逑１．１研究目的和意义逡逑云是由空中的小水滴、冰晶或冰水混合物组成的聚合体。太阳光在地球陆地、海面和植物表面，使水蒸发上升，在空中凝结或凝华形同类型的云。天空中的云形态万千，变化多端，云对天气的演变起着的预示作用，云的分布、变化、外形、移动和数量都标志了当时大气各种物理状况。云的形成和演变，是大气运动过程中的具体表现形式，助对云的观测，对判断大气运动的状况、短期临近大气预报有至关重义［ｗ］。但由于云的时空分布及其变化的复杂性，目前对云的分布、以及与天气的关系还有许多未知的部分，所以进一步完善对云的微观观探测，，深入理解云对大气和气候的影响有着至关重要的作用。逡逑

激光雷达,硬目标

在较为明显的界面，通过记录激光脉冲从发射端到达云底的往返时间来计逡逑算云底高度，差别在于对云这样的“软目标”进行探测时改变了回波信号的逡逑处理方法，如图１．２和１．３所示。逡逑｜（邋ｄ：ｅＡｔ／２邋Ａ逦大气分子气》胶粒子逡逑灥冲逦灥冲逡逑■４ｒ－逡逑图１．２激光雷达硬目标探测逦图１．３激光雷达大气探逡逑但在大多数情况下，云的底面并不清晰和平滑，且下层大气的气溶胶逡逑或雾霾密度又较高，云底的激光回波信号有时会低于系统噪声，不易达到逡逑其回波信号大于系统噪声约一个量级的要求，漏测的现象在实际测量中时逡逑有发生。近年来，随着激光器技术、高速数字化电子器件以及计算机技术逡逑的高速发展，激光测云仪普遍采用了微脉冲激光累加技术和高速数字化采逡逑３逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH765.6;TN249

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