激光测风雷达信噪比提高方法实验研究

发布时间：2020-04-27 06:59

【摘要】：目前激光测风雷达是国际民航组织确认的唯一具有晴空测风能力的遥测手段。随着光通信技术的发展,1.5μm相干激光雷达技术发展趋于成熟,使得1.5μm的激光雷达逐渐成为各国研究热点。由于1.5μm相干激光测风雷达使用光纤作为信号的传输介质,并且采用全光纤激光器作为光源,使得雷达的结构简单,可以小型化和工程化。但是使用单频全光纤激光器作为1.5μm的激光雷达光源,导致该波段的激光雷达发射脉冲能量比较低,限制了1.5μm的相干激光测风雷达的探测距离,为此本文对1.5μm相干激光测风雷达提高信噪比的探测方法进行了研究。首先,对相干激光测风雷达的国内外研究进展进行了综述。针对1.5μm相干激光雷达发射单脉冲能量低的问题,目前的解决方法是采用铒、镱共掺的玻璃为介质的放大器来提高发射信号的单脉冲能量。这种解决方法放弃了雷达全光纤结构的优越性。因此,本文为了保留1.5μm相干激光测风雷达全光纤结构,提出了对激光雷达信号使用相参积累方法来提高回波信号的信噪比的方法。其次,提出了实现激光雷达信号相参积累的方案,并阐述了激光雷达信号相参积累的相关理论。由于相参积累方法要求信号的频率和位相具有相参性,而本套设备的发射信号带有初位相,为了能够消除发射信号间的位相差,本文研究了实现激光雷达信号相参积累的方案。方案中包括:鉴相模块和位相对齐模块两个部分,鉴相模块对激光脉冲信号进行数字鉴相,位相对齐模块根据数字鉴相所得位相值对回波信号进行位相对齐和时域积累。根据所提出的激光雷达信号的研究方案,在MATLAB中建立了激光雷达信号处理的仿真实验平台。然后,提出了鉴相模块的研究方案,并完成了鉴相模块的研究。利用仿真平台,分析了两种获取鉴相信号的方法,确定改进实验设备方案,以此获取鉴相信号,并完成了对实验设备的改进;利用仿真平台对数字正交混频方法进行了仿真分析,正交混频所求得位相的鉴相精度在秒的数量级;利用仿真平台对IIR和FIR的几种典型滤波器进行了对比分析,选取了FIR切比雪夫等波纹法设计的低通滤波器作为正交混频中所使用的滤波器,并对滤波器的幅频参数进行了研究,使滤波器具有陡降的截止特性和线性相位特性;利用实验平台对实验设备的真实鉴相信号实现了数字鉴相。最后,提出了位相对齐模块的研究方案,并完成了位相对齐模块的研究。方案中包括过采样位相对齐模块和插值再离散位相对齐模块,其中,过采样位相对齐模块是对高采样率采集获得的激光回波脉冲串直接移动进行位相对齐和时域积累,插值再离散位相对齐模块是对满足采样定理的相对较低的采样率获得的激光回波脉冲串进行插值,将激光回波信号变为连续信号,再将连续信号离散为离散信号后进行位相对齐和时域积累。过采样位相对齐模块原理简单,但是对A/D要求高,数据量比较大;而插值再离散位相对齐模块可以减少采集的数据量,适合工程上使用。完成了插值函数对原始信号的拟合精度对相参积累性能影响的研究。通过所建立的仿真平台,对比了sinc插值、Lagrange插值、三次样条插值和切比雪夫函数四种不同的插值函数对单脉冲信号位相和频谱造成的影响以及相参积累后的信号位相和频谱造成的影响,最终选取了三次样条作为插值函数;通过所建立的实验平台分别完成了两种位相对齐模块对于真实信号的相参积累,对信号使用两种位相对齐模块进行处理所得结果都与相参积累信噪比提高的理论值相符合,位相对齐模块的对齐精度为2.88°;对比分析了两种位相对齐模块对相参积累后信号的信噪比提高的影响,其中插值再离散位相对齐模块对信噪比的提高略低于过采样位相对齐模块。
【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】：P407
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本文编号：2641999