相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究

发布时间：2019-10-04 06:20

【摘要】：相干测风激光雷达具有晴空测量精度高、响应速度快、时空分辨率高等优点，在大气风场探测方面具有明显的优势。星载相干测风激光雷达作为获取全球风廓线的重要探测手段，业已成为世界各国研究的热点，但由于仪器设计精度要求高、技术实现难度大及研制成本高等问题，至今尚未有在轨运行的设备。国内虽然也有一些机构开展相干测风激光雷达的研究工作，，但总体上与国外还有较大的差距，尤其是星载相干测风激光雷达设计和研制方面。本论文以相关预研项目为背景，针对星载相干多普勒测风激光雷达系统和地基验证系统的关键技术进行了研究。本文主要进行系统设计和数据处理两个方面的研究，一是开展相干测风激光雷达系统设计、优化及误差溯源研究，给出了相干测风激光雷达系统指标体系的设计方案，为星载及地基相干测风激光雷达系统验证、结构优化评估及研制提供重要的理论依据。二是数据仿真和数据处理算法研究，依据优化得到的地基相干测风激光雷达系统的关键参数值，建立了端到端的时域信号生成算法模型；并分别针对模型生成的仿真数据和全光纤系统获取的实测数据进行相干测风激光雷达数据处理算法研究。本文主要创新工作内容如下： 1）完成了星载相干测风激光雷达系统建模及总体指标的设计。依据相干测风激光雷达的系统结构，建立了包括大气传输模型、激光器模型、发射与接收光学系统模型、光电探测及数据采集系统模型的仿真计算模型，并针对相干测风激光雷达的关键参数——本振光功率、望远镜孔径和望远镜截断因子，设计了相应的优化选取算法。 2）构建了通用的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向的误差计算模型。针对星载相干测风激光雷达的运行体制，首次基于全微分和统计学理论，利用CRLB误差下界代替Frehlich的经验公式对随机风速误差进行评估，构建了通用的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向的误差计算模型。将系统仿真模型进行集成，基于MATLAB GUI界面平台编写了一套交互式相干测风激光雷达星载/地基系统性能优化及误差溯源仿真软件。 3）建立了端到端的时域信号生成算法。结合大气分层模型和随机噪声生成算法，生成了时域仿真信号，并分别针对线性风速和湍流随机风速下的可靠性进行验证。对于线性风速的情况，建立多脉冲风速评估结果的概率分布函数，降低散斑效应的影响。对于湍流随机风速，提出了一种基于相关函数的实数湍流随机风速生成算法，给出了高斯脉冲下的能量耗散率的验证的算法流程，并首次考虑不同发射脉冲形状，对湍流识别算法的影响进行了理论分析和仿真验证。 4）针对全光纤相干测风激光雷达系统获取的实测数据进行了数据处理算法研究。基于外差探测理论，对平衡探测器的信号电流和噪声电流的形式进行了理论分析，并用实验数据对平衡探测器的噪声理论进行了实验验证；对最大似然算法在全光纤相干测风激光雷达系统中的应用进行了研究，结果表明，最大似然算法对弱信号的识别能力比快速傅里叶变换算法精度更高；为了减少噪声的抖动影响，提出了一种新的距离门噪声去除算法，该算法采用多项式最小二乘法拟合计算每个距离门的基底噪声，根据真实的采集数据，对采用基底噪声扣除算法和距离门噪声去除算法进行对比分析。
【图文】：

示意图,测风,激光雷达,原理

按照探测方式的不同，测风激光雷达可以分为非相干（直接）测风激光雷达干测风激光雷达[10, 11]。其中相干测风激光雷达采用外差探测方式，将回波信信号在探测器表面混频，由多普勒频移信息反演得到大气风场，原理图如图。

系统原理图,光学望远镜,航空航天局,测风

美国国家航空航天局 NASA 研制的 LAWS(LaserAtmo统开创了星载相干测风激光雷达的先河。LAWS 系统[17]采用 C量接近 20J，重复频率 5Hz，光学望远镜接近 1.6m，图 1.2 是该计划后因系统体积庞大、预算超支等因素被迫取消。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN958.98

【参考文献】