基于激光雷达的能见度探测及回波信号去噪方法研究

发布时间：2021-09-09 17:09

　　针对目前激光雷达能见度仪体积大、成本高、操作复杂等问题,本文基于米散射原理,采用共轴的设计,研制一套激光雷达能见度探测系统。然而,实际获得的激光雷达回波信号极其微弱,再加上各类噪声的影响,降低了系统的有效探测距离与测量精度。因此,本文提出了一种基于经验模态分解（EMD）的信号去噪方法,实现了对微弱回波信号的有效提取,具体研究内容如下:1、以激光雷达大气探测理论为基础,综合考虑系统的安全性、成本以及总体性能等因素,运用共轴收发天线以及多芯光纤等新型光子器件与技术,有效降低了激光雷达能见度探测系统的成本,使系统结构更为紧凑。另外,采用光子计数方式对回波信号进行采集,有效提高了系统的探测能力。2、基于激光雷达回波信号的特点,本文提出了一种基于EMD的信号去噪方法（EMD-STRP）。通过分析本征模态函数与回波信号的相关性,确定出相关分量和不相关分量;在此基础上,采用粗糙惩罚和软阈值技术分别对这两种分量进行处理,进而从强背景噪声中提取出有用信号。在仿真实验中,相较于EMD部分重构、EMD硬阈值以及小波变换方法的去噪效果,EMD-STRP具有最高的输出信噪比与最低的均方根误差。3、为了验证EMD... 

【文章来源】：南京信息工程大学江苏省

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１－１能见度仪的应用领域（ａ）航空领域（ｂ）航海领域（ｃ）陆上交通领域（ｄ）军事领域??激光雷达能见度测量是随着激光技术和雷达技术的产生与发展而出现的新型能见??度观测技术，具有测量范围广、时空分辨率高和抗干扰能力强等特点［１（）］

２０世纪６０年代，前向散射式能见度仪诞生了，它通过接收到特定角度的散射光强，??计算其与光源发射光强之比估算出散射系数，再利用相关数学模型得到能见度值，测量??原理如图１－３所示。该技术有效避免了基线对准的问题，并且安装便利、测量系统体积??小，能进行稳定的工作，因此被广泛地应用于码头、高速公路等场所，代表产品有美国??Ｂｅｌｆｏｒｔ公司研制的Ｍｏｄｅｌ６０００型前向散射式能见度仪［２２］（图１－４）。目前，国内已有多个??机构研制出前向散射式能见度仪，如中科院安徽光机所研制的ＨＷ－Ｎ１型，凯迈（洛阳）环??测有限公司研制的ＣＪＹ－１Ａ型。由于前向散射式能见度仪采样体积较小，在大气不均匀??的条件下，测量结果容易出现以点代面的问题，且利用一定角度上的散射系数进行比例??放大代替总散射系数会引入相对误差。??主散射角??＇取样体积＇??图１－３前向散射式能见度仪探测示意图?图１４Ｍｏｄｅｌ６０００型前向散射式能见度仪??激光雷达能见度测量是随着激光技术和雷达技术的产生与发展而出现的新型能见??度观测手段，通过激光与大气微粒相互作用产生的后向散射光信号，进而反演出大气能??４??

＜ｃ＝Ｓ５５ｐＪ?ＩＩ?ＩＩ??图１－２双端式透射仪探测原理??２０世纪６０年代，前向散射式能见度仪诞生了，它通过接收到特定角度的散射光强，??计算其与光源发射光强之比估算出散射系数，再利用相关数学模型得到能见度值，测量??原理如图１－３所示。该技术有效避免了基线对准的问题，并且安装便利、测量系统体积??小，能进行稳定的工作，因此被广泛地应用于码头、高速公路等场所，代表产品有美国??Ｂｅｌｆｏｒｔ公司研制的Ｍｏｄｅｌ６０００型前向散射式能见度仪［２２］（图１－４）。目前，国内已有多个??机构研制出前向散射式能见度仪，如中科院安徽光机所研制的ＨＷ－Ｎ１型，凯迈（洛阳）环??测有限公司研制的ＣＪＹ－１Ａ型。由于前向散射式能见度仪采样体积较小，在大气不均匀??的条件下

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微脉冲激光雷达的能见度反演算法[J]. 李红旭,常建华,朱玲嬿,刘秉刚,徐帆.  电子测量与仪器学报. 2017(10)
[2]基于小波去噪算法的全天时大气水汽拉曼激光雷达探测与分析[J]. 王玉峰,曹小明,张晶,汤柳,宋跃辉,狄慧鸽,华灯鑫.  光学学报. 2018(02)
[3]合肥市大气能见度变化特征及其影响因素[J]. 施悯悯,张庆国,张浩,王凤文.  应用生态学报. 2017(02)
[4]基于多元经验模态分解的旋转机械早期故障诊断方法[J]. 武哲,杨绍普,刘永强.  仪器仪表学报. 2016(02)
[5]光路准直对长基线透射式能见度仪测量的影响[J]. 周树道,马忠良.  应用光学. 2016(01)
[6]沙尘天气下能见度对光脉冲时延和展宽的影响[J]. 王惠琴,王彦刚,曹明华,柯熙政.  光学学报. 2015(07)
[7]基于自适应多尺度形态滤波与EMD的激光雷达回波信号去噪方法[J]. 蒋立辉,符超,刘雯箐,熊兴隆.  红外与激光工程. 2015(05)
[8]前向散射能见度仪的工作原理及维护维修[J]. 张毅,刘小容,钟运新,余东柏.  气象水文海洋仪器. 2015(01)
[9]基于模式识别的激光雷达遥感灰霾组分识别模型[J]. 王治飞,刘东,成中涛,杨甬英,罗敬,沈亦兵,白剑,汪凯巍.  中国激光. 2014(11)
[10]考虑多次散射影响的斜程能见度反演方法研究[J]. 熊兴隆,刘雯箐,蒋立辉,李猛,冯帅.  光电子.激光. 2014(09)

博士论文
[1]基于激光雷达技术的生物气溶胶监测系统构建与关键技术研究[D]. 杨子健.中国人民解放军军事医学科学院 2015

硕士论文
[1]后向散射式激光雷达能见度仪系统设计及回波信号预处理[D]. 符超.中国民航大学 2015
[2]大气能见度测试仪软件系统设计[D]. 胡林.电子科技大学 2012
[3]基于小波变换的激光雷达弱信号处理方法的研究[D]. 王丽娜.黑龙江大学 2009
[4]小型能见度激光雷达系统设计和反演算法研究[D]. 梁郁.中国民航大学 2009



本文编号：3392470