联合时频分析在相干测风激光雷达中的应用
发布时间：2020-10-31 15:56
相干测风激光雷达可实现远距离、多参数、高时空分辨率、高精度的中高层风场观测,在风切变探测、飞机尾流探测、大气湍流探测和风能发电等领域具有广泛的应用。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是相干测风激光雷达信号处理的难点。相对于传统的时域或频域处理方法,联合时频分析从时频域刻画信号可视性全貌,揭示信号频率分量随时间的变化过程,淹没在噪声中的信号通过联合时频分析和多组累加的方式更容易识别出来。时频分析保持了对远场弱信号风速估计的连续性,提高了距离分辨率和时间分辨率,改善了信噪比,反映出风速变化的丰富细节。本论文的主要工作如下:1.回顾了相干测风激光雷达和联合时频分析的国内外研究现状,概述联合时频分析在激光雷达中的研究成果和应用趋势。分析基于激光多普勒效应测量大气风场的基本原理,介绍了激光雷达典型的系统组成,建立了相干测风激光雷达的大气分层模型,论述了常用的风速估计算法如脉冲对算法、最大似然估计法和周期图最大值法,推导相干测风激光雷达基本性能参数,讨论了时频方法的基本理论。2.基于大气分层模型仿真生成相干测风激光雷达大气回波时域信号,采用线性时频分布、Cohen类时频分布、重排类时频分布和自适应最优核时频分布对模拟回波信号进行时频分析,分析时频方法的时频特征,比较其设计准则和性能差异。3.使用1.5μm相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测,将谱图、自适应最优核时频分布和周期图最大值法应用于实测数据,对比分析风速反演结果。实测结果表明在可探测范围内风速分布在-3.5m/s-0m/s之间,约1.1 km左右出现的风切变是由于风场峡谷效应而形成的。通过对比实验和连续观测论证自适应最优核时频分布在3km内,当距离分辨率为1.2m、时间分辨率为0.2s时能够直观体现出风场变化的丰富细节,3km后经平滑保.持了对远场弱信号风速估计的连续性。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P412.25
【部分图文】：
风速廓线图；（ｃ）黑色实线的平均Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布??２０１４年，法国航空航天研宄院报道了?１．５＠全光纤单频激光雷达测得的风??速随距离变化的谱图结果［３５］。谱图分析结果如图１．２（ａ）所示，在时间分辨率为０．１ｓ??时探测范围为１０ｋｍ，９ｋｍ以下的信噪比与激光雷达方程保持良好一致；当时间??分辨率为〇．４１ｓ时，最远探测范围达到１３ｋｍ。２０１６年，该研宄所报导了长距多??普勒测风雷达，图１．２（ｂ）为当时间分辨率为０．１ｓ时风速随距离变化的谱图分析结??果［３６］，探测距离可达１６ｋｍ。??ｉ?？＝＊■！，ｉ：；：ｇ＾｜｜??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）?Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）??图１．２风速随距离变化的谱图图像??
?Ｒａｎｇｅ（ｍ）?ｔ（ｕｓ）??图１．１飞机尾涡的仿真分析。（ａ）尾涡对中径向风速的等高线数值模拟图；（ｂ）三条视线的径向??风速廓线图；（ｃ）黑色实线的平均Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布??２０１４年，法国航空航天研宄院报道了?１．５＠全光纤单频激光雷达测得的风??速随距离变化的谱图结果［３５］。谱图分析结果如图１．２（ａ）所示，在时间分辨率为０．１ｓ??时探测范围为１０ｋｍ，９ｋｍ以下的信噪比与激光雷达方程保持良好一致；当时间??分辨率为〇．４１ｓ时，最远探测范围达到１３ｋｍ。２０１６年，该研宄所报导了长距多??普勒测风雷达，图１．２（ｂ）为当时间分辨率为０．１ｓ时风速随距离变化的谱图分析结??果［３６］，探测距离可达１６ｋｍ。??ｉ?？＝＊■！，ｉ：；：ｇ＾｜｜??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）?Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）??图１．２风速随距离变化的谱图图像??２０１６年
??的重建二维小波分布。图１．３中结果表明重建结果大致上和原始温度扰动场一致，??重建二维小波分布可以很好代表真实大气波动。该研宄成果为中间层及低热层的??垂直研究和环境预报工作提供观测支持。??－２０?０?２０?－２?０?２?－４?０?４?－２?０?２?－４?０?４??——ＬＴ?■………丨．—?—ｆ?—??Ｉ—■?—ＩＩ?１—??６５?＾一（ｂ）?？?（Ｃ）?（ｄ）?（ｅ）??！?＾?ｉ?＾?＾??２５?＾?；??＂５?１００?８０?１１５?】００?８０?１１５?１００?８０?１１５?１００?８０?１１５?１００?８０??Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ?ｔｉｍｅ（ｈ）??图１．３原始相对温度扰动和二维小波重建结果。??（ａ）２０１４年７月１６至１８日相对温度扰动；（ｂ）３．６ｈ；?（ｃ）４．８ｈ；?（ｄ）７．８ｈ；?（ｅ）结合三个主小波??中重建的温度扰动场??２０１７年，法国航空航天研宄院和法国放射性废物管理机构采用谱图方法，??分析１６４５ｍｎ全光纤相干激光雷达在石油和天然气设施处对甲烷通量的测量能力??２０１７年，德国宇航局采用二维小波分析对南半球中纬度地区新西兰（４５ｓＳ）??和北半球高纬度地区芬兰（６７°Ｎ）的两台瑞利激光雷达观测数据进行对比研宄，观??测在３０ｋｍ至８５ｋｍ海拔高度冬季重力波传播特征［４１］。??１．３．?２信号去噪??在信号去噪方面，由于信号中的噪声往往分布在高频区域，如果采用舍弃高??频分量的方法，就可以粗糙的去除噪声，故信号去噪常采用经验模式分解的改进??算法较多。在时频面上，随机噪声往往随机分布在整个时频面，而信号能量常常??聚集在有限区域
【参考文献】
本文编号：2864161
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P412.25
【部分图文】：
风速廓线图；（ｃ）黑色实线的平均Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布??２０１４年，法国航空航天研宄院报道了?１．５＠全光纤单频激光雷达测得的风??速随距离变化的谱图结果［３５］。谱图分析结果如图１．２（ａ）所示，在时间分辨率为０．１ｓ??时探测范围为１０ｋｍ，９ｋｍ以下的信噪比与激光雷达方程保持良好一致；当时间??分辨率为〇．４１ｓ时，最远探测范围达到１３ｋｍ。２０１６年，该研宄所报导了长距多??普勒测风雷达，图１．２（ｂ）为当时间分辨率为０．１ｓ时风速随距离变化的谱图分析结??果［３６］，探测距离可达１６ｋｍ。??ｉ?？＝＊■！，ｉ：；：ｇ＾｜｜??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）?Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）??图１．２风速随距离变化的谱图图像??
?Ｒａｎｇｅ（ｍ）?ｔ（ｕｓ）??图１．１飞机尾涡的仿真分析。（ａ）尾涡对中径向风速的等高线数值模拟图；（ｂ）三条视线的径向??风速廓线图；（ｃ）黑色实线的平均Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布??２０１４年，法国航空航天研宄院报道了?１．５＠全光纤单频激光雷达测得的风??速随距离变化的谱图结果［３５］。谱图分析结果如图１．２（ａ）所示，在时间分辨率为０．１ｓ??时探测范围为１０ｋｍ，９ｋｍ以下的信噪比与激光雷达方程保持良好一致；当时间??分辨率为〇．４１ｓ时，最远探测范围达到１３ｋｍ。２０１６年，该研宄所报导了长距多??普勒测风雷达，图１．２（ｂ）为当时间分辨率为０．１ｓ时风速随距离变化的谱图分析结??果［３６］，探测距离可达１６ｋｍ。??ｉ?？＝＊■！，ｉ：；：ｇ＾｜｜??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）?Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）??图１．２风速随距离变化的谱图图像??２０１６年
??的重建二维小波分布。图１．３中结果表明重建结果大致上和原始温度扰动场一致，??重建二维小波分布可以很好代表真实大气波动。该研宄成果为中间层及低热层的??垂直研究和环境预报工作提供观测支持。??－２０?０?２０?－２?０?２?－４?０?４?－２?０?２?－４?０?４??——ＬＴ?■………丨．—?—ｆ?—??Ｉ—■?—ＩＩ?１—??６５?＾一（ｂ）?？?（Ｃ）?（ｄ）?（ｅ）??！?＾?ｉ?＾?＾??２５?＾?；??＂５?１００?８０?１１５?】００?８０?１１５?１００?８０?１１５?１００?８０?１１５?１００?８０??Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ?ｔｉｍｅ（ｈ）??图１．３原始相对温度扰动和二维小波重建结果。??（ａ）２０１４年７月１６至１８日相对温度扰动；（ｂ）３．６ｈ；?（ｃ）４．８ｈ；?（ｄ）７．８ｈ；?（ｅ）结合三个主小波??中重建的温度扰动场??２０１７年，法国航空航天研宄院和法国放射性废物管理机构采用谱图方法，??分析１６４５ｍｎ全光纤相干激光雷达在石油和天然气设施处对甲烷通量的测量能力??２０１７年，德国宇航局采用二维小波分析对南半球中纬度地区新西兰（４５ｓＳ）??和北半球高纬度地区芬兰（６７°Ｎ）的两台瑞利激光雷达观测数据进行对比研宄，观??测在３０ｋｍ至８５ｋｍ海拔高度冬季重力波传播特征［４１］。??１．３．?２信号去噪??在信号去噪方面，由于信号中的噪声往往分布在高频区域，如果采用舍弃高??频分量的方法，就可以粗糙的去除噪声，故信号去噪常采用经验模式分解的改进??算法较多。在时频面上，随机噪声往往随机分布在整个时频面，而信号能量常常??聚集在有限区域
【参考文献】
相关期刊论文 前7条
1 朱丰;张群;冯有前;罗迎;李开明;梁必帅;;逆合成孔径激光雷达鸟类目标压缩感知识别方法[J];红外与激光工程;2013年01期
2 何劲;张群;杨小优;罗迎;;逆合成孔径成像激光雷达成像算法[J];红外与激光工程;2012年04期
3 何俊峰;刘文清;张玉钧;段连飞;杨露怡;阮俊;;HHT在激光云高仪后向散射信号处理中的应用[J];红外与激光工程;2012年02期
4 何劲;张群;罗迎;杨小优;;逆合成孔径成像激光雷达微多普勒效应分析及特征提取[J];电子学报;2011年09期
5 陈冬;王江安;康圣;;脉冲激光雷达信号降噪方法对比[J];舰船科学技术;2011年04期
6 李利;司锡才;柴娟芳;张雯雯;;基于重排小波-Radon变换的LFM雷达信号参数估计[J];系统工程与电子技术;2009年01期
7 王学勤;董艳群;原帅;盛美菊;张骏;;激光雷达微多普勒效应的仿真研究[J];激光技术;2007年02期
本文编号：2864161
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/qxxlw/2864161.html
