Chirp强度调制与近红外激光合成孔径雷达距离向处理

合成孔径激光雷达是利用同一孔径(望远镜)与目标作相对运动并采用信号处理方法来模拟孔径阵列,获得高方位(横向)分辨率的相干成像雷达.采用窄线宽的单频光纤激光光源和相干探测方法;发射光波被啁啾信号作幅度调制,接收后进行距离向脉冲压缩;激光雷达和目标相对运动引起的回波相位变化,由相关运算实现相位补偿和累加(孔径合成),以提高方位向分辨率.提出了新的工作体制:距离向啁啾信号调制在发射光波振幅(强度)上,方位向多普勒频移反映在回波光波相位(频率)上,便于解决距离向与方位向之间的耦合模糊问题.报道了中期实验成果:Chirp 射频信号调制激光强度,实现合成孔径激光雷达距离向的压缩.     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。     

1.55 um全光纤相干激光测风雷达技术的研究

风速的监测在气象预测、飞行器的安全保障及风力资源的勘测等方面都有着十分重要的应用。采用1.55 um窄线宽全光纤激光器开展全光纤相干多普勒激光测风技术的研究，建立一套由电机带动转盘转动模拟风速测量装置，利用散射信号产生多普勒频移来校准系统的测量准确性。系统采用的1.55um全光纤脉冲激光器单脉冲能量为10 uJ、脉冲重复频率为20 kHz、脉宽为200 ns, 模拟风速与实际测量结果具有很好的一致性。     

目标特性对机载激光雷达接收带宽影响的数值仿真

为了提高激光雷达的接收灵敏度,分析了其照射到目标上的激光功率的时空分布特性,对不同时刻返回的激光回波功率进行积分求和,数值计算出激光回波脉冲信号波形,并在系统分析非相干探测激光雷达系统噪声特性的基础上,仿真分析了地面大目标对激光回波脉冲的展宽效应及其对接收带宽的影响.仿真结果表明:根据激光回波脉冲的展宽特性在信号频谱与噪声频谱上的差异,采用最佳接收带宽法可以有效地抑制背景噪声,大幅度地提高激光雷达的信噪比,实现激光雷达以较小的发射功率获得较大的探测距离的目的.     

基于ZEMAX的拉曼激光雷达几何因子的模拟分析

激光雷达在接收大气回波信号时,近场信号由于望远镜视场角的限制不能完全接收,这对于侧重于接收大气对流层信号的拉曼激光雷达是不利的。激光雷达方程引入几何因子的概念描述回波信号的接收效率。从几何光学的角度,对拉曼激光雷达的几何因子进行了分析,对比光线追迹法求解的几何因子,两者重合度很高.为提高光纤耦合拉曼激光雷达在近场的接收效率,研究了光纤在轴向和侧向上的位移对接收效率的影响,并提出了侧向偏移光纤与以往传统的倾斜望远镜在提高近场回波信号上的一致性,有效地提高了窄视场角拉曼激光雷达系统的光学接收效率。     

基于Golay脉冲编码技术的相干激光雷达仿真研究

针对相干激光雷达远场回波信号信噪比低,提取困难的问题,提出了脉冲编码技术,以改善系统信噪比,增大雷达探测距离。研究了相干激光雷达系统中Golay码的编码和解码原理,理论分析了采用脉冲编码技术对系统信噪比的提升效果。基于大气分层模型仿真生成了相干激光雷达时域回波信号。基于Golay码解码原理得到了脉冲编码系统的风速结果,仿真结果表明,时间分辨率为1s,距离分辨率为60m的情况下,使用Golay编码脉冲作为相干激光雷达的探测脉冲,在0~5.3km范围,风速误差小于3m·s~(-1)。在相同的测量时间内,相比于传统脉冲相干激光雷达,基于脉冲编码技术的相干激光雷达将探测距离提高了2.5km,提高了远场弱信号的信噪比。     

星载钠荧光多普勒激光雷达性能分析

星载钠荧光多普勒激光雷达可以用来测量全球的中间层顶及低热层区域的大气风场、温度及钠原子数密度等。为了从理论上分析星载钠荧光多普勒激光雷达的可行性,该文依据激光雷达方程,对星载钠荧光多普勒激光雷达的回波信号强度以及大气参数测量精度进行仿真计算。分析结果显示在使用400 km轨道高度,30.0观测角度,9.0 W激光发射功率,1.0 m接收望远镜口径,2.0 km垂直距离分辨率,30.0 s信号累积时间情况下,可获得0.8 m/s视线风速测量精度,1.5 m/s水平风速测量精度和2.5 K温度测量精度。      

高精度1.55μm全光纤激光相干测速实验及数据分析

介绍了一种高精度1.55 μm全光纤激光相干测速实验系统.实验系统采用光纤激光器作为激光源,利用光纤环行器与望远镜构成收发合置的光学天线,所有光学器件由单模光纤连接.数据处理采用快速傅里叶变换(FFT)频谱分析方法检测信号多普勒频移.利用该系统对转盘进行多次测速实验,速率测量的相对误差小于0.2%.同时对基于光纤激光器...     

双激光束的非多普勒激光雷达测风系统研究

为设计一种低成本、高精度、可遥测的风速测量装置,基于米散射理论和泰勒冻结假设,提出了一种双激光束的非多普勒激光雷达测风系统。设计了以532 nm激光器为光发射单元,电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)为光接收单元,计算机为信息处理单元的非多普勒激光雷达测风实验装置。在风速为3m/s和2 m/s的条件下,双激光束的前向散射回波信号分别生成了左、右两束激光的光强图;对光强图进行处理,获得了气溶胶从一束激光运动到另一束激光所需的时间。结合两激光束的间距,在风速3m/s和2 m/s的条件下,获得了风速测量值,平均测量值与实际值的误差分别为7%和7.33%。非多普勒激光雷达测风系统设计简易、成本低廉,具有很强的现实意义。     

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺 陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过 改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功 率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据 反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s−1。在此基 础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对 近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3∼18 m·s−1, 风场测量位置 2∼30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。     

相干激光雷达平衡式相干探测技术研究

为了分析影响平衡式相干探测信噪比的因素,采用数学模型推导了平衡式相干探测原理和信噪比公式,分析了影响平衡式相干探测信噪比的因素,研制了用于相干激光雷达信号接收的平衡式激光探测器,并通过相干雷达样机,完成了气溶胶粒子发生米氏散射回波信号的探测。结果表明,研制的平衡式激光探测器具有非常低的噪声和高探测灵敏度特性,能较好地探测出大气中气溶胶粒子发生米氏散射的激光回波信号。     

折反射共光路多谱段激光雷达光学系统设计

激光雷达不仅可用于分析目标光谱特性,还能够获取空间目标方位、距离、三维形貌及运动特征。常规激光雷达测量的目标特征单一,难以同时具备以上所有的探测能力。针对激光雷达的多种功能需求,设计了一种同时具备以上多种测量能力的激光雷达,采用发射/接收共光路系统结构形式,极大地简化了光学系统结构,光学系统为特殊的折反射结构,在仅使用两种光学材料的情况下即可实现400~1400nm宽波段的发射与接收。为实现多谱段探测,激光光源采用光参量振荡器单脉冲可调谐激光器,光谱调节范围覆盖整个探测波段。激光发射系统的激光等效扩束比达到12.6,单色回波接收系统等效F数为8,采用光电倍增管,20μm内的径向能量接近100%。为满足对目标的跟踪与精细结构测量,在共光路的基础上,加入可见光接收系统,使多谱段激光雷达还具备可见光成像能力,可见光接收系统全视场为1.6°,所设计的调制传递函数在37lp·mm-1处优于0.5。系统各项设计指标满足探测需求。     

一种适用于相干激光雷达的下变频技术研究

相干激光雷达指的是采用具有相干光源的激光对探测目标发射,并采用激光外差接收,通过后置信号处理来获取目标信息的一种探测方法。本文针对相干激光雷达的回波信号经过光电探测器后输出频率较高、重频周期长、处理数据量大,提出了一种下变频技术来降低频率至零频,并采用梳状滤波器(CIC)和半带滤波器(HB)组成多级采样率转换来实现数据的滤波和抽取。最后通过实验表明,此方法能够在较低数据率下有效地实现高信噪比的采样进行测距。     

联合时频分析在相干测风激光雷达中的应用

相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点,已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号,对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果,自适应最优核时频分布具有运算量小,交叉项抑制效果好,时频聚集度高等优点。最后,使用1.5m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,将自适应最优核时频分布应用于实测数据,与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明:自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息,3 km内距离分辨率为1.2 m,3 km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性,时间分辨率为1 s时其最远水平探测范围约在6 km。     

高光学效率相干多普勒激光雷达的测风性能分析与测试

近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备,可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 m波段,望远镜直径50 mm,时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比,验证了系统测量距离达到5 km。之后,通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980,标准差为0.235 m/s,风向数据相关系数达0.993,标准差为3.105。表明该相干激光雷达具有优良的性能,可以应用于大气边界层内的风场探测。     

激光雷达测风系统信号采集处理研究

为满足风场对风速测量的需求,研制了基于FPGA的激光雷达测风系统高速信号采集处理模块,负责对激光雷达回波信号采集、快速傅里叶变换(FFT)及频谱数据累加平均运算.将采集到的1024点回波数据通过流模式、块浮点结构FFT运算,分别得到单次频谱数据和1024次累加平均频谱数据,并利用数据传输模块可靠传输至上位机进行显示与分析.通过搭建工作波长为1550 nm的连续相干激光雷达测风系统,对信号采集处理模块进行指标测试和累加平均滤波算法验证.测试结果表明:该采集处理模块能够在100 MHz时钟下对回波信号实时采集处理,频谱分辨率达到97.66 kHz,将风速测量精度提升至7.57cm/s.     

相干激光测风雷达风场测量技术

研发了一套全光纤化相干多普勒激光测风雷达设备,并已作为试验样机应用于XXX工程中。该激光测风雷达工作于人眼安全波段,系统结构设计紧凑,性能可靠,可实现远距离风速测量。首先对相干激光测风雷达风速测量精度进行了理论分析,然后采用放置于103 m高塔上的超声风向风速仪和探空气球作为雷达指标的测试工具,对激光雷达进行外场试验,验证设备的性能。经过试验结果分析,风速数据相关性达95%以上,标准差优于0.8 m/s,风向数据相关性达98.6%以上,标准差优于5。与国外相关激光测风雷达测量精度相当,表明激光测风雷达具有优良的性能,将成为广泛应用的风场测量工具之一。     

相干多普勒测风激光雷达研究

研制了一套用于大气风速测量的1.064 μm全固态相干激光雷达系统。该系统采用种子注入 Nd∶YAG脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为0.5 mJ,脉冲宽度(FWHM)为80 ns。 利用40 m处的转轮进行了硬靶速度校正实验(速度测量误差的方差为0.23 m/s),并对大气视向风速进行了测量(探测距离可 到达400 m)。在对系统进行初步优化后,获得了30 ～ 870 m的视向风速分布曲线。     

相干激光测风雷达信号处理系统研究

介绍了基于相干探测方式的多普勒激光测风雷达的基本组成结构和原理,着重对激光测风雷达的信号处理系统进行了研究.文中给出了信号处理系统中所采用的多普勒信号处理方法,对采集到的多普勒回波信号进行了仿真研究.采用商业数据采集卡和LABVIEW软件,设计了相干激光测风雷达信号处理系统,并通过搭建的平台实现了激光视向风速的测量.通过模拟的多普勒回波信号,对信号处理系统进行了测试验证,实验结果证明了该信号处理系统能够达到0.8 m/s的速度测量精度.     

新型机载多脉冲激光雷达目标信号模拟器

研制多脉冲激光雷达目标信号模拟器,用以评估回波数字信号处理算法及其实现平台的性能。首先,介绍了目标信号的主要组成以及回波信噪比的两种定义。接着,基于激光雷达方程及1.064μm激光器的辐射激光的光电接收实验,获取信号波形并对目标回波信号组成进行分析,结合空中目标的回波脉冲展宽建立了机载脉冲激光雷达目标回波信号模型。之后,提出了依据电压信噪比产生回波观测信号的方法。最后,给出了基于"FPGA+高速D/A+USB2.0数据传输"的目标信号模拟器软硬件实现,可为回波信号处理器提供信噪比为1-9的静、动目标回波及主波信号。