应用Zoom FFT方法提高相干测风激光雷达频谱分辨率

脉冲相干测风激光雷达距离门内的回波具有中频高、频带宽、采样点稀疏等特点。采用传统的信号处理方法, 雷达频谱分辨率很难提高。在研究无线电雷达信号频谱细化技术的基础上, 采用Zoom FFT 频谱细化结合数字滤波器组的方法, 通过仿真研究验证了该方法对提高脉冲相干激光测风雷达的频谱分辨率具有良好效果。文章介绍了Zoom FFT 算法和数字滤波器组的原理,对模拟低频和高频信号进行了仿真,并且利用真实风场数据进行了验证,充分证明了该算法对于提高脉冲相干激光测风雷达的频谱分辨率的有效性。     

LFMCW激光雷达测量方法

由于光电器件响应速率有限,在满足相同距离分辨率要求时,线性调频连续波（LFMCW）激光雷达需要较同体制微波雷达大得多的相对带宽,所以不能直接应用LFMCW微波雷达的距离与速度去耦合技术来提取目标距离和速度信息。针对LFMCW激光雷达中频信号的频谱特点,提出了利用均匀分段傅里叶变换的方法来解算目标的距离和速度信息。仿真实验表明,在中频信号信噪比较低的情况下,该方法具有较小的测距测速误差和较小的运算量,从而具有一定的实用性。     

雷达本振源的宽带合成与高精度控制

提出了一种L波段宽带高精度自适应雷达本振频率合成和控制技术，这种技术通过对中频进行精确测频，控制由DDS＋PLL＿混频构成的宽带频率合成器的本振输出频率，实现对射频信号的搜索、跟踪，从而保证接收的中频为精确的固定中频。它搜索跟踪速度快、范围大、分辨率高、精度高、稳定可靠，同时满足了本振信号大带宽、低相噪、高纯频谱和自适应的要求。     

线性调频连续波激光雷达测量方法研究

线性调频连续波激光雷达在光电器件响应速度有限的条件下,要满足较高的距离分辨率的测量要求,就需要比同体制微波雷达大得多的相对带宽。这就导致线性调频连续波微波雷达的距离与速度去耦合方法不能被直接应用。针对探测近距高速运动目标和实时性高的要求,根据激光雷达目标回波的特点,提出了一种快速线性调频信号参数估计方法,利用均匀分成两段的中频信号的傅里叶变换来获取目标的距离与速度信息。在目标距离50m,速度1000m/s,中频信噪比为0的仿真条件下,雷达测距误差小于15mm,测速误差小于10m/s。仿真实验表明,该方法具有较高的测量精度和较强的抗干扰能力。     

基于混合编程的高精度激光多普勒信号处理技术

针对激光多普勒信号中存在较大噪声干扰的实际情况,为了抑制这些噪声干扰,提高激光多普勒测速仪的测量精度,提出了对激光多普勒信号进行最小均方差(LMS)自适应滤波后作快速傅里叶变换(FFT),基于混合编程思想对所得到的频谱,先进行频谱细化,再进行频谱校正的信号处理方法,并对理想正弦信号和实测多普勒信号分别进行仿真计算和实验研究。仿真和实验结果表明：LMS自适应滤波技术可以有效抑制激光多普勒测量中的多频率噪声的干扰,此技术能够适应于很宽的信噪比范围,大大提高多普勒信号的信噪比;频谱细化技术可以提高激光多普勒信号的频谱分辨率,频谱校正技术可以准确地校正多普勒频率,使校正后的频率更加接近于真实值;信号处理精度比直接进行FFT提高2~3倍。     

光源线宽对相干激光测风雷达探测性能的影响分析

使用窄线宽激光源是相干激光测风雷达的特点之一,为研究不同线宽光源对激光测风雷达探测性能的影响,从理论分析了在相干长度内、外时光电流的频谱特性,并使用了三种不同线宽的激光光源进行实际的测风试验。试验表明,当探测距离在相干长度外时,100 kHz光源信号幅度较1 kHz与10 kHz两种光源下降约30%,且部分频段噪声幅度较大。因此,在设计中近程激光测风雷达,可考虑选用百kHz量级线宽光源,而探测距离数千米甚至更远的中远程激光测风雷达,可考虑选取几十千赫级线宽光源。     

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.     

1550 nm相干激光测风雷达微弱回波信号处理

针对激光测风雷达回波信号极其微弱,直接快速傅里叶变换(FFT)后无法得到回波信号频域幅值的问题,该文提出了嵌入现场可编程门阵列(FPGA)的数字中频信号处理方法,有效地提取了回波信号频域幅值.激光测风雷达的回波信号是相干激光脉冲信号经过空气中气溶胶后向散射的信号,由于空气中气溶胶浓度小以及激光发射功率限制,回波信号微弱...     

一种基于分时发射技术的双线性间断调频准连续波雷达的研究

为解决常规线性调频雷达存在的距离速度耦合和近距离盲区等问题,提出一种采用大占空比双线性间断调频脉冲信号的准连续波体制雷达。该雷达在一个脉冲重复周期内分时交替发射频谱互不重叠的两个线性调频脉冲信号,接收机通过发射信号分离、Stretch处理、时域互相关、FFT、运动补偿等过程可以在一个脉冲重复周期内获得运动目标的速度估计值和距离估计值。本文首先给出了该雷达的信号模型和距离速度去耦合原理,分析了系统性能,最后讨论了尚需解决的关键问题。     

LFMCW雷达运动目标距离与速度超分辨估计

超分辨谱估计算法能得到比传统周期图法高得多的分辨率,针对LFMCW雷达动目标检测问题,本文提出一种基于状态矢量空间方法的LFMCW雷达距离与速度超分辨估计方法。文中介绍了状态矢量空间方法的基本原理并分析了三角LFMCW雷达上、下扫频段差频信号的特点,使用基于状态矢量空间方法估计差频信号频谱,同时给出了相应的运动目标距离与速度的估计算法。该算法解决了LFMCW雷达动目标去耦问题,与传统FFT方法相比提高了运动目标距离与速度的分辨率和估计精度。仿真结果证明了该算法的有效性。      

基于数字滤波的低频随机信号实时功率谱分析仪的实现

对于非平稳随机信号的功率谱分析,采用自相关函数傅里叶变换和直接傅里叶变换分析时,由于存在数据截断,二者从概念上都不能很好地反映随机信号的功率谱.采用参数谱估计方法,则不能实现等百分比带宽分析.对于噪声和结构振动等信号,需要进行等百分比带宽分析.采用滤波法进行功率谱分析,不存在数据截断带来的误差,还可方便地用于等百分比带宽的谱分析.利用数字滤波器可以实现时分和频分复用的特点,结合重抽样技术来实现整个频率轴上的实时功率谱分析.上述算法可以通过高速数字信号处理器(DSP)芯片实时地完成.文中介绍了基于数字滤波的低频随机信号实时功率谱分析仪的实现方法,并给出了实时算法的设计要点.     

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。     

相干多普勒测风激光雷达的频率估计算法

采用Welch谱估计结合自相关检测与能量重心法的频率估计算法,来提高淹没在噪声中的相干测风激光雷达多普勒信号频率估计的精度问题。通过将信号进行自相关预处理,然后由Welch谱分析获取功率谱进行频率的粗估计,最后由能量重心法进行频率校正来获取高精度的信号频率。仿真表明,本文算法有较低的平均绝对误差和均方根误差且性能稳定,并应用到相干测风激光雷达系统中与仿真一致。     

基于频谱重构的相干激光测风雷达风切变检测算法

为了提高相干激光测风雷达风切变的检测率,本 文提出了一种在频域检测风切变的新 方法。首先,截取激光雷达 目标探测距离处的回波信号进行傅里叶变换。其次,通过对回波信号的频率分量按其幅值大 小加权进行频谱重构。然后, 对重构后的频谱进行平滑并估计峰值频率,计算局部频率差,与风切变阈值进行比较,进而 在频域判别风切变。采用旋 转电机实验数据对该算法误差进行评估,得到该算法频谱估计误差为0.64 MHz。设计基于小 型飞机的激光雷达风切变检 测实验对算法检测率进行验证,以小型飞机飞行报告作为风切变判定标准,对激光雷达检测 结果进行判别。通过朝阳机 场实验得到该算法风切变检测率为84.62%,表明该算法对提高激光雷 达风切变检测率具有重要价值。     

基于激光雷达脉冲特性的湍流风速估计方法

提出了一种基于激光脉冲距离权重函数的湍流风场速度估计的方法,可以解决多普勒信息探测晴空湍流风场中精细化的风速测量问题。算法以划分的距离门为单位对速度值进行空间平均,将各距离单元速度与激光脉冲距离权重函数进行卷积运算得到风速的局部估计值。并考虑高斯激光脉冲在湍流风场中的有效空间展宽传输特性,根据直接选取距离门中心位置的速度估计方法和快速的线性平均近似方法的处理过程,引入激光脉冲的传输特性来表达湍流径向风速的统计平均值,以实现湍流风速的测量以及激光雷达在探测湍流上的应用。实验结果表明,在有明显湍流条件的风场环境中,脉冲距离权重方法比线性平均方法在保留真实风场属性的前提下具有相对更小的速度标准差,显示出较好的风速修正效果,提高了激光雷达对湍流风场的测速性能。     

车载直接探测多普勒测风激光雷达光学鉴频器

基于建立的车载直接探测激光雷达系统,对接收光学鉴频器进行了研究。针对边界层、对流层和平流层不同的气溶胶和大气分子浓度以及风速动态范围,同时采用直接探测的两种主要技术。利用多光束菲索(Fizeau)干涉仪(MFI)和阵列光电倍增管(PMT),接收气溶胶散射信号,获得边界层风速。采用双法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(DFP)和光电倍增管探测器,分析分子散射信号,得到对流层风场。使用实际的激光雷达系统参数和大气模型参数,对两个鉴频器进行了优化设计,分析了它们的风速测量灵敏度和精度。多光束菲索干涉仪鉴频器系统在±50 m/s风速范围内测量灵敏度为1.3%/(m.s-1),高度分辨率为200 m,边界层内风速测量误差小于1 m/s。双法布里-珀罗干涉仪鉴频器系统在±100 m/s风速范围内的测量灵敏度约为0.3%/(m.s-1),高度分辨率为1000 m,对流层风速测量误差小于3 m/s。     

多普勒激光雷达中种子激光注入的一种鉴别方法

多普勒测风激光雷达以其高分辨率、高精度、大探测范围、能提供三维风场信息的能力,吸引了多国学者的关注,并投入了大量的人力、物力进行研究。所研究的多普勒测风激光雷达采用种子注入的方式获得单纵模、窄线宽、高功率的激光输出。激光器中心频率的缓慢漂移、环境噪音、激光棒温度变化或者振动干扰都有可能导致激光器种子光的注入不成功,出射激光光谱由注入成功时的单纵模输出变为多纵模输出。激光单纵模输出时线宽约为200 MHz,而多纵模时激光线宽很宽。而种子注入不成功时所出射的多纵模激光脉冲将导致瑞利后向散射谱变宽,会增加风速测量误差。该脉冲筛选电路在数据采集环节实现对多纵模激光脉冲的筛选,有效降低了风速测量误差,提高测风准确度。     

线性调频连续波激光雷达探测原理分析

介绍了线性调频连续波激光雷达的系统结构,量化分析了探测原理、距离分辨率及多普勒效应。分析表明,该雷达具有优良距离分辨能力,目标的距离及速度信息分别包含于中频信号的初始频率和中频调频斜率之中;通过仿真实验直观说明了比值带宽对目标速度测量影响,应采用非平稳信号处理解算目标信息。