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

发布时间：2017-08-03 05:03

  本文关键词：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

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【摘要】：能见度表征着大气的光学状态,是气象观测的重要项目之一,对交通运输、军事国防等都有着重要意义。激光雷达因为其波长短、灵敏度高、分辨率高等优势,成为观测大气能见度的新型工具。本文基于大气后向散射原理,完成了一台小型激光雷达能见度仪的系统结构设计。该仪器具有结构紧凑、使用安全、小巧便携等优点,适用于水平能见度及斜程能见度的测量。文中主要探讨了激光雷达重要器件的选择以及相关参数的设定,并仔细分析了激光雷达回波信号的噪声特性以及信噪比的估算方法。由于噪声的影响,使得回波信号中的有用信号非常微弱,影响了激光雷达的探测距离以及探测精度。因此,本文对激光雷达回波信号的预处理做了详细的研究。针对回波信号是一种非线性信号的特点,采用了形态滤波以及经验模式分解分别对其作去噪处理。首先,详细叙述了两种算法的原理,其次,由实验结果分析算法的特性并作了激光雷达回波信号去噪实验,最后,根据经验模式分解算法去噪时会产生失真的问题,分析其原因,针对性的提出了形态-EMD组合算法,利用自适应多尺度形态滤波去除间歇现象干扰。经过实验结果的对比,证明了其行之有效,很好的抑制了之前的去噪失真问题。
【关键词】：能见度 激光雷达 系统设计 形态滤波 经验模式分解
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P415.33;TN958.98
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 能见度探测的研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 主要工作与论文结构12-14
• 第二章 激光雷达能见度仪的系统设计14-23
• 2.1 激光雷达能见度仪的测量原理14-15
• 2.1.1 激光雷达探测大气能见度的物理基础14-15
• 2.1.2 激光雷达大气能见度测量原理15
• 2.2 激光雷达能见度仪的系统设计15-22
• 2.2.1 激光发射单元16-17
• 2.2.2 光学接收单元17-18
• 2.2.3 信号探测单元18-19
• 2.2.4 数据采集单元19-20
• 2.2.5 控制及数据处理单元20
• 2.2.6 门控电路20-21
• 2.2.7 收发同步校准21-22
• 2.3 小结22-23
• 第三章 激光雷达回波信号分析23-30
• 3.1 激光雷达方程23
• 3.2 雷达回波噪声分析23-25
• 3.2.1 光电探测器中的噪声24-25
• 3.2.2 天空背景光噪声25
• 3.3 回波信号信噪比分析25-29
• 3.3.1 激光雷达信噪比方程26
• 3.3.2 激光脉冲能量对信噪比的影响26-27
• 3.3.3 滤光片半宽度对信噪比的影响27-28
• 3.3.4 激光脉冲发射数目对信噪比的影响28-29
• 3.4 小结29-30
• 第四章 形态滤波在回波信号去噪上的应用30-41
• 4.1 数学形态学理论30-35
• 4.1.1 数学形态学的基本原理30-31
• 4.1.2 结构元素的选取31-32
• 4.1.3 基本形态变换与运算方式的选取32-35
• 4.2 形态滤波去噪实验35-41
• 4.2.1 不同信号相同结构元素去噪实验35-36
• 4.2.2 相同信号不同结构元素去噪实验36-38
• 4.2.3 相同信号相同形状但不同尺度结构元素去噪实验38-39
• 4.2.4 激光雷达回波信号去噪实验39-41
• 第五章 使用经验模式分解对激光雷达回波信号去噪41-51
• 5.1 EMD基本理论41-47
• 5.1.1 经验模式分解的产生与发展41-42
• 5.1.2 经验模式分解的基本原理42-44
• 5.1.3 经验模式分解的主要性质44-45
• 5.1.4 经验模式分解存在的主要问题45-47
• 5.2 EMD去噪实验47-51
• 5.2.1 仿真信号去噪实验47-48
• 5.2.2 激光雷达回波信号去噪实验48-51
• 第六章 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51-62
• 6.1 引言51-52
• 6.2 形态滤波与EMD组合算法去噪原理52-53
• 6.2.1 产生模态混叠的原因52-53
• 6.2.2 使用形态滤波去除间断事件53
• 6.3 形态滤波与EMD组合算法基本步骤53-54
• 6.4 去噪实验54-60
• 6.4.1 仿真信号去噪实验54-57
• 6.4.2 激光雷达回波信号去噪实验57-60
• 6.5 小结60-62
• 第七章 总结62-64
• 参考文献64-67
• 致谢67-68
• 攻读硕士期间发表的论文68

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