相干激光测风雷达大气探测方法实验研究

发布时间：2017-07-04 00:18

  本文关键词：相干激光测风雷达大气探测方法实验研究

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【摘要】：相干激光测风雷达具有较高的空间角分辨率与速度分辨率,可有效探测晴空条件下的低空风场信息,具有重要的科研与社会意义。本文主要对相干激光测风雷达的大气探测方法进行研究。首先,对相干激光测风雷达国内外的研究进展进行详尽的综述与分析。通过对国内外相干激光测风雷达发展的分析可知,1.55μm相干激光雷达是目前最具发展空间与使用价值的测风雷达。针对目前1.55μm相干激光测风雷达作用距离有限的问题,提出通过相干积累的方法提高接收信号的信噪比,结合非相干积累提高接收信号的探测概率,从而提高系统探测性能的想法。其次,详述了相干激光测风雷达的基本探测理论。针对弱信号接收,介绍了回波信号的相干积累与非相干积累原理和方法。激光雷达回波信号的速度信息以多普勒频移的形式表示,因此,对傅里叶经典谱分析进行了论述,内容主要有信号与噪声的傅里叶变换形式、傅里叶变换对信噪比的提高以及频谱泄漏的相关理论等。再次,为了对相干激光测风雷达的测速能力进行评估,结合国内外雷达速度检测方法的分析对比,提出激光雷达测速能力检测实验方案。建立以变频调速电机为核心的测速性能检测装置,并选取最大似然离散谱峰值估计的方法对回波信号进行频域估计。针对雷达系统测速范围确定电机转速,进行了16组相干激光测风雷达测速实验。由于回波信号较强,其回波信号无需进行积累,因此对回波信号直接进行频谱估计。将电机转速与系统测速结果进行对比,分析系统测速精度,得到测速误差的均方根为0.26m/s。同时,对硬目标影响激光信号的位相进行分析,说明回波信号无法进行相干积累,并对其原因进行分析。最后,开展激光测风装置外场实验研究。分别采用光纤光环形器与空间光环形器,对500m固定目标回波信号进行相干积累,有效地将回波信号信噪比提升20dB,初步验证了相干激光测风信号相干积累的可行性;对比分析光纤光环形器与空间光环形器的优缺点,通过实验验证光纤光环形器对信号相干积累的限制;详细测定激光器种子源的拖尾与本底噪声功率,对大气风场进行探测,并在频域上对雷达回波信号进行修正。通过对比本底噪声,检测到硬目标附近较强的剪切风风场频域信息,定性验证系统对大气风场的频域响应。
【关键词】：相干激光测风雷达 相干积累 信噪比 光纤光环行器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958.98
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 相干激光测风雷达技术的研究现状及分析11-15
• 1.2.1 相干激光测风雷达的实验探究阶段11-12
• 1.2.2 相干激光测风雷达的发展阶段12-13
• 1.2.3 1.55μm相干激光测风雷达的发展阶段13-15
• 1.2.4 国内相干激光测风雷达发展现状15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第2章 相干激光测风雷达大气探测基本原理17-26
• 2.1 引言17
• 2.2 相干激光测风雷达工作原理17-19
• 2.2.1 相干探测基本原理17-18
• 2.2.2 雷达测速原理18-19
• 2.3 激光测风雷达信号处理基本原理19-21
• 2.3.1 非相干积累基本原理20
• 2.3.2 非相干信号谱估计方法20
• 2.3.3 相干积累基本原理20-21
• 2.4 傅里叶变换性能分析21-25
• 2.4.1 真实信号的傅里叶变换21-22
• 2.4.2 高斯白噪声的傅里叶变换22
• 2.4.3 傅里叶变换的信噪比增益22-23
• 2.4.4 傅里叶变换的频谱分辨率23-24
• 2.4.5 频谱泄漏24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 相干激光雷达测速实验研究26-41
• 3.1 引言26
• 3.2 激光雷达测速实验方案26-28
• 3.3 测速原理分析28-31
• 3.3.1 测速实验原理分析28-29
• 3.3.2 测速信号处理原理分析29-31
• 3.4 伺服电机的选择与实验设备结构设计31-32
• 3.5 测速实验设计32-34
• 3.6 测速实验及结果分析34-40
• 3.7 本章小结40-41
• 第4章 1.55μm相干雷达大气探测实验研究41-58
• 4.1 引言41
• 4.2 收发隔离系统结构分析41-46
• 4.2.1 空间光环形器结构与调试实验41-45
• 4.2.1.1 利用可见光指示的调试实验42-43
• 4.2.1.2 利用 1550nm外差回波信号作为指示的调节实验43
• 4.2.1.3 利用CCD光斑成像高精度对准的调试实验43-45
• 4.2.1.4 空间光环形器调试方案对比分析45
• 4.2.2 光纤光环行器的结构45-46
• 4.3 相干积累可行性46-51
• 4.3.1 相干积累的可行性分析实验方案46
• 4.3.2 相干积累可行性的仿真验证46-49
• 4.3.2.1 离散信号的相干累积效率仿真分析47-48
• 4.3.2.2 光程对相干累积效率影响的仿真分析48-49
• 4.3.3 相干积累可行性的实验分析49-51
• 4.3.3.1 采用光纤光环行器的相干积累可行性验证实验49-50
• 4.3.3.2 采用空间光环行器的相干积累可行性验证实验50-51
• 4.4 光纤光环形器对相干积累的限制分析51-54
• 4.5 相干激光雷达大气探测实验54-57
• 4.6 本章小结57-58
• 结论58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64

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本文编号：515723