相干测风激光雷达信号处理及算法研究
发布时间：2020-08-07 04:45
【摘要】：在诸多大气风场探测手段中,光纤激光器结构的相干测风激光雷达具有结构紧凑、性能稳定、测风精度高和时间响应快等优点,已经成为大气科学研究、天气预警预报、风电场管理,大气环境监测等领域重要的探测工具。相干测风激光雷达的微弱信号探测对风速反演算法的估计精度要求严格,需要定量分析风速算法估计误差。论文从多方面研究了相干测风激光雷达的回波信号处理和风速反演算法的性能评估,这对于提高风速反演算法精度具有重要的参考价值。论文首先介绍了相干测风激光雷达的基本原理,引入了评估相干测风激光雷达系统性能的激光雷达方程、载噪比,以及天线效率等参数,为后续的风速估计算法比较提供理论依据。随后根据协方差矩阵回波信号模型与带湍流扰动的分层结构回波信号模型,通过最大似然估计(ML)、最大似然离散谱峰值估计(ML DSP),以及高斯拟合估计(Gauss)处理不同类型的回波信号,得到表征风速估计误差的估计标准差和探测概率;仿真结果表明ML估计的性能最好,Gauss估计优于MLDSP估计,在宽脉冲宽度情况下风速估计算法性能更好,并且大气湍流严重干扰风速估计算法的精确度。利用实验室搭建的相干测风激光雷达测得的风场数据,分析比较MLDSP估计与Gauss估计的风速误差。结果表明在低探测距离区域,Gauss估计性能微弱优于对应的MLDSP估计;在距离较高的区域,随着距离的增加,两种算法的风速误差差值显著增大,说明Gauss估计的风速精度明显优于MLDSP估计。利用自相关系数统计分析这两种估计算法,结果显示Gauss估计反演得到的风速数据在时域变化上更具有稳定性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P407.5
【图文】：
如今一些新能源科技公司己经推出适用于风电场评估的商业激光雷达产品，逡逑譬如英国的ＺｅｐｈＩＲ公司研制的ＺｅｐｈＩＲ系列产品和法国Ｌｅｏｓｐｈｅｒｅ公司研制的逡逑Ｗｉｎｄｃｕｂｅ系列产品。图１．１所示为一款Ｗｉｎｄｃｕｂｅ系列的测风激光雷达系统。这逡逑些地基垂直廓线激光雷达产品为风能市场提供高精度风速数据，减少风能资源评逡逑估活动中的水平和垂直不确定性。考虑到风力涡轮机的尺寸和所能到达的高度，逡逑激光雷达能够对垂直方向的风场信息进行合理的评估。沿垂直轴风速改变的垂直逡逑风切变，以及沿垂直轴风向改变的垂直风转向，是影响风电场年均电能产量的两逡逑个重要因素。受各种因素影响，风电场选址现越来越集中分布于离岸区域，当前逡逑地基激光雷达也可用于扫描海上的风能资源评估活动。这一方面可以减少风能资逡逑源评估活动的水平不确定性；另一方面相对于海上测风塔，能够大幅度降低成本。逡逑对于当前风电机组运行项目，风电场管理者需要了解影响年均电能产量的主要损逡逑耗因素。对这种信息了解越精确，项目进展会越顺利，而且有更好的经济效益。逡逑地基激光雷达作为一种最为合适的风场评估手段
勒激光雷达，在洁净天气条件下具有最佳表现，而多普勒微波雷达只能接收到微逡逑弱信号；反之，当降水限制了多普勒激光雷达观测的性能时，多普勒微波雷达具逡逑有最优表现。图１．２所示为香港国际机场装配的相干多普勒激光雷达系统。逡逑逦逦逦逦逦：｜，－逦逡逑＾邋」逡逑图１．２香港国际机场的相干多普勒激光雷达系统逡逑目前，常见的风场探测手段有声波风速计、多普勒微波雷达，风廓线雷达和逡逑激光雷达。逡逑声波风速计能够精确测量高湍流风场或发生风切变情况下的风速和风向。其逡逑原理为声波在空气中的传播速度受风场的影响，可通过测量声波在己知距离的两逡逑点之间传播时间的变化来逆向推导两点间风速的方法。声波在空气中的传播速度逡逑与不同方向的风场速度叠加，当声波的传播方向与风向相同，合速度呈现两者相逡逑加；反之，当传播方向与风向相反，则合速度为两者相减。相比机械式风速计，逡逑声波风速计不含可动的机械部件，有效降低了设备故障几率和提高了风速测量精逡逑度。正是由于声波风速计的量程宽、响应快、精确度高，所以广泛用于环境监测、逡逑气象监测、风力发电、航空机场等相关领域。逡逑多普勒微波雷达已广泛应用于气象台站
２ｐｍ的固态激光器为激光发射源的相干激光雷达出现【２１，２２］。更短波长的固态激逡逑光系统为相千多普勒激光雷达系统提供更高的后向散射系数和更高的速度分辨逡逑率。并且如图１．３所示，１哗和２ｐｍ正处于大气窗口，这时的大气透过率较高，逡逑光束的后向散射强度较高。从２０世纪８０年代开始，美国相干公司ＣＴＩ研制了基逡逑于ＭＯＰＡ结构的１．０６｜ｉｍ固态脉冲相干激光雷达，其脉冲能量为１Ｊ，用于大气风逡逑场测量和硬目标探测［２３］。逡逑１．０逦１．４逦１邋６逦１．８逦２Ｄ逦２２逦２邋Ａ逦２邋６逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（＾ｔｍ）逡逑图１．３邋０．９－２．７ｎｍ大气透过率通道逡逑由于１０（ｉｍ的Ｃ0２激光器和ｌ＾ｍ的固态激光器都不位于１．４＾ｍ至２．６ｐｍ间逡逑人眼安全的工作波长，研制人眼安全的相干测风激光雷达显得十分有必要。１９８９逡逑年，Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ首次报道了用于风场探测的２．１叫脉冲固态Ｔｍ，Ｈ0：ＹＡＧ相干激逡逑５逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P407.5
【图文】：
如今一些新能源科技公司己经推出适用于风电场评估的商业激光雷达产品，逡逑譬如英国的ＺｅｐｈＩＲ公司研制的ＺｅｐｈＩＲ系列产品和法国Ｌｅｏｓｐｈｅｒｅ公司研制的逡逑Ｗｉｎｄｃｕｂｅ系列产品。图１．１所示为一款Ｗｉｎｄｃｕｂｅ系列的测风激光雷达系统。这逡逑些地基垂直廓线激光雷达产品为风能市场提供高精度风速数据，减少风能资源评逡逑估活动中的水平和垂直不确定性。考虑到风力涡轮机的尺寸和所能到达的高度，逡逑激光雷达能够对垂直方向的风场信息进行合理的评估。沿垂直轴风速改变的垂直逡逑风切变，以及沿垂直轴风向改变的垂直风转向，是影响风电场年均电能产量的两逡逑个重要因素。受各种因素影响，风电场选址现越来越集中分布于离岸区域，当前逡逑地基激光雷达也可用于扫描海上的风能资源评估活动。这一方面可以减少风能资逡逑源评估活动的水平不确定性；另一方面相对于海上测风塔，能够大幅度降低成本。逡逑对于当前风电机组运行项目，风电场管理者需要了解影响年均电能产量的主要损逡逑耗因素。对这种信息了解越精确，项目进展会越顺利，而且有更好的经济效益。逡逑地基激光雷达作为一种最为合适的风场评估手段
勒激光雷达，在洁净天气条件下具有最佳表现，而多普勒微波雷达只能接收到微逡逑弱信号；反之，当降水限制了多普勒激光雷达观测的性能时，多普勒微波雷达具逡逑有最优表现。图１．２所示为香港国际机场装配的相干多普勒激光雷达系统。逡逑逦逦逦逦逦：｜，－逦逡逑＾邋」逡逑图１．２香港国际机场的相干多普勒激光雷达系统逡逑目前，常见的风场探测手段有声波风速计、多普勒微波雷达，风廓线雷达和逡逑激光雷达。逡逑声波风速计能够精确测量高湍流风场或发生风切变情况下的风速和风向。其逡逑原理为声波在空气中的传播速度受风场的影响，可通过测量声波在己知距离的两逡逑点之间传播时间的变化来逆向推导两点间风速的方法。声波在空气中的传播速度逡逑与不同方向的风场速度叠加，当声波的传播方向与风向相同，合速度呈现两者相逡逑加；反之，当传播方向与风向相反，则合速度为两者相减。相比机械式风速计，逡逑声波风速计不含可动的机械部件，有效降低了设备故障几率和提高了风速测量精逡逑度。正是由于声波风速计的量程宽、响应快、精确度高，所以广泛用于环境监测、逡逑气象监测、风力发电、航空机场等相关领域。逡逑多普勒微波雷达已广泛应用于气象台站
２ｐｍ的固态激光器为激光发射源的相干激光雷达出现【２１，２２］。更短波长的固态激逡逑光系统为相千多普勒激光雷达系统提供更高的后向散射系数和更高的速度分辨逡逑率。并且如图１．３所示，１哗和２ｐｍ正处于大气窗口，这时的大气透过率较高，逡逑光束的后向散射强度较高。从２０世纪８０年代开始，美国相干公司ＣＴＩ研制了基逡逑于ＭＯＰＡ结构的１．０６｜ｉｍ固态脉冲相干激光雷达，其脉冲能量为１Ｊ，用于大气风逡逑场测量和硬目标探测［２３］。逡逑１．０逦１．４逦１邋６逦１．８逦２Ｄ逦２２逦２邋Ａ逦２邋６逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（＾ｔｍ）逡逑图１．３邋０．９－２．７ｎｍ大气透过率通道逡逑由于１０（ｉｍ的Ｃ0２激光器和ｌ＾ｍ的固态激光器都不位于１．４＾ｍ至２．６ｐｍ间逡逑人眼安全的工作波长，研制人眼安全的相干测风激光雷达显得十分有必要。１９８９逡逑年，Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ首次报道了用于风场探测的２．１叫脉冲固态Ｔｍ，Ｈ0：ＹＡＧ相干激逡逑５逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前7条
1 刁伟峰;张鑫;刘继桥;竹孝鹏;刘源;毕_巢
本文编号：2783505
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/qxxlw/2783505.html
