便携式激光云高仪的信号采集与处理技术研究

发布时间：2020-03-18 21:32

【摘要】：云影响着飞机的安全起飞和着陆,云底高度作为云的重要参数之一,实时准确观测云底高度,是航空飞行气象保障的基本要求。目前地面上常用的云底高度观测设备为激光云高仪,激光云高仪又分为地基固定式和手持便携式两种,而手持便携式激光云高仪的发展远远落后于地基固定式激光云高仪。传统手持便携式激光云高仪的激光回波信号处理部分采用的是模拟电路设计,以单脉冲计数的工作方式对云底高度进行测量,在实际工作中容易受到噪声和气溶胶的干扰,对云底高度识别不准确,容易造成“虚测”和“漏测”等现象。针对传统便携式激光云高仪无法准确识别云底高度的问题,本文采用了在传统便携式激光云高仪回波信号接收处理端加装基于FPGA和ARM组合的高速数据采集处理系统。该系统借助于高集成度FPGA芯片的数据并行处理优势和ARM芯片的低功耗、高性能特点,为传统便携式激光云高仪的升级改进提供了一个片上系统数字化解决方案。系统利用FPGA完成激光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反演处理,实现云底高度的精确测量。针对激光云高仪回波信号容易受噪声污染的问题,本文采用了一种基于自相关和SG滤波的集成经验模态分解算法对含噪信号进行处理。同时,为了便于野外机动环境下云底高度的测量,系统在便携式激光云高仪上首次采用GPS/北斗双模定位模块来监测云层对应的地理位置信息。系统硬件部分主要包括数据采集模块、数据缓存模块、数据处理模块、数据通信传输模块、双模定位模块和供电模块。系统软件开发主要由Quartus Ⅱ和MDK5开发工具完成,来实现数据的采集、处理、存储和传输等功能。最后,为了便于用户实时直观的监测云底高度和云层地理位置等信息,系统在Visual Studio平台上完成上位机软件开发。改进后的便携式激光云高仪与地基固定式CHM 15K激光云高仪作对比试验,两者测试结果较为一致,最终说明该系统为传统便携式激光云高仪的改进升级提供了一种可靠的解决方案。
【图文】：

低云,长波辐射,飞行员,飞机事故

对长波辐射影响较大，会使地表和大气向外放出的长波辐射显表和大气升温。而低云则反之，低云对太阳光的反射较强，对长波辐射影系统有负的辐射强迫，因此会使地表和大气降温。云底高度主要指地面距离，此外云底高度对于数值天气预报模式及降水的估计同样重要。在，云底高度是一项重要的观测项目。逡逑的宏观特征通常包括云底高、云顶高、云厚及云量等，其中云底高度作测参数之一，它影响着飞机的安全起飞和着落。飞机大部分事故发生在起段的事故率占总体飞机事故的８０％以上，从安全角度分析，多数飞行事关，而低云和低能见度则是其中的罪魁祸首。云中明暗交替的环境会让，对一些飞行情况会产生错误操作。降落时，，云亦会使飞行员无法看清响安全着落。准确测量云底高度，可使飞行员尽量避免飞机入云、出云碍物太近导致没有时间和条件进行降落地点修正的情况，从而有效避此，实时准确观测云，是航空飞行保障的基本要求。逡逑

探测原理,激光测距仪

逡逑其探测原理如下图１．２所示。逡逑＾＝＝＝１逡逑发射妹冲逦检ｉｌ钱冲逡逑——－逡逑图１．２激光测距仪探测原理逡逑但是在实际情况下，云的底面并不平滑也不清晰，有时还很稀薄，云底下层的大气逡逑气溶胶密度较高，接收机接收到的激光回波信号有时会低于设备系统噪声，所以容易发逡逑生“漏测”现象。同时固体激光器的驱动电路结构很复杂，制作成本较高，这些都大大逡逑限制了其发展。逡逑２０世纪８０年代后期出现了半导体激光器，同时低阈值的雪崩光电二极管探测器、逡逑微脉冲累积技术、滤波技术和高速采集技术的发展，都极大地提高了最远可测量的距离。逡逑目前地面固定式激光云高仪通过将微脉冲激光进行累加，然后结合高速数字化采集技术逡逑进行信号的高速采集，最后使用反演方法进行云底高度识别。这种探测方法与激光测距逡逑仪测量方法对比
【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】：2018
【分类号】：TN249;V321.212

【参考文献】