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。     

基于扫描激光雷达的列车速度测量系统

针对传统列车速度测量装置存在量程小、调试复杂等问题,基于扫描激光雷达技术,设计了一套适用于高速列车动态限界测量的列车速度测量系统。将扫描激光雷达固定在距列车10m 左右的位置上,根据激光脉冲飞行时间测距原理,沿列车行驶方向对进入扫描范围内的列车车身逐点扫描,获得由测量点组成的车身轮廓信息;通过最小二乘拟合车厢测量点,得到列车行驶轨迹,确定列车行驶方向;采用分段线性差值确定相邻两次测量周期内列车行驶的距离,完成列车速度的测量。结果表明:该测速系统操作方便,量程可达600km/h,测速误差控制在1.2%以内,可以满足高速列车速度测量需求。     

用于落速测量的激光雷达电视跟踪系统

研制的激光雷达电视跟踪系统,采用脉冲激光测距结合圆光栅测角的方法,测定下落目标相对于测试点的斜距离、水平角和俯仰角的时间序列值;采用同步电视跟踪技术记录对应时刻的目标图像,根据目标图像相对于视场中心的位置,对光栅码盘的水平角和俯仰角读数进行中心修正,并对缺失的距离数据用插值方法弥补,最后,通过最小二乘拟合方法可获得目标的运动轨迹方程,从而给出目标在运动过程中任意时刻的下落速度.该激光雷达电视跟踪系统已多次应用于野外空间非定域物体的落速测量,实现的速度测量精度优于0.5 m/s,在标准天候条件下对典型目标的作用距离不小于8km.     

1.06μm直接接收米散射测风激光雷达的性能分析

介绍了基于Fabry2Perot 标准具的直接接收米散射1064nm 测风激光雷达的工作原理, 设计了利用该原理进行风场测量的激光雷达,并估算了该系统的设计性能,进行了系统测量误差分析,结果表明:高度在10km 内和风速测量的动态范围内的误差小于2m/ s ,测量精度随径向测量速度的增大而下降,在低对流层的测量精度、分辨率和测量时间在目前的系统参数条件下还可以提高。     

V型啁啾调频单脉冲激光测速测距方法与实现EI北大核心CSCD

为实现雷达远距离动目标实时跟踪探测,单脉冲线性调频脉冲压缩算法和V型啁啾调频脉冲压缩算法为快速获得运动目标的距离速度信息提供算法基础。结合脉冲压缩算法优势以及两种波形脉压算法的弊端,利用V型啁啾调频脉冲发射波形,提出采用三角调频滤波处理方法,以解决目标的距离、径向速度值及速度方向信息同时获取的难题,为单脉冲实现速度矢量信息的隐蔽探测提供解决方案。通过搭建脉冲激光相干测量实验平台,在接收镜头后连接17.618 km延迟光纤以延长目标往返距离,对转速从−3.67~3.67 m/s的转盘进行速度距离测量。在40 MHz调制带宽,4.096μs调制脉宽,2.5 GS/s采样率条件下成功实现单脉冲距离速度多维信息获取,并对测速准确性进行评估,距离测量精度达到0.33 m,速度测量精度为0.061 m/s。     

基于光网靶的弹丸速度精确测量系统

设计开发了一套基于光网靶的高精度弹丸速度测试系统。系统采用3站式设计,可以测量出弹丸飞行速度的变化。信号处理单元采用了最新的CPLD模块,集信号放大、脉冲触发、触发计时和脉冲合成于一体。系统有效测试截面为100mm×100mm,设计测速范围50~4000m/s,测量误差小于0.1％,可以对直径15~100mm的弹丸速度进行测量。利用该系统成功测量了电磁轨道炮发射的弹丸速度。     

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。     

基于多普勒测风激光雷达的锁频系统与激光测速系统的设计与实现

在非相干多普勒测风激光雷达系统中,激光的线宽与频率的稳定性是影响测量结果准确性的两个重要因素。研制的激光雷达系统采用种子注入方法产生窄线宽脉冲激光,采用碘分子饱和吸收稳频的方法,利用VB语言基于PID算法编写仪器控制程序,将种子激光器的频率锁定在碘分子吸收线1 109线的高波数边缘上,长时间(4 h)锁频的精度0.5 MHz,频率的长期稳定度为3.5510-9。设计了连续光测速系统,得出多普勒频移测得的实验值与实际斩波盘的速度值曲线,速度误差小于0.4 m/s。由此也说明,所设计的连续光测速系统可以对整个锁频系统进行校准。该实验也为测风激光雷达的建设提供指导意义。     

单频脉冲激光器的分子吸收光谱频率稳定技术研究

单频脉冲激光器的频率稳定性显著地影响直接探测多普勒激光雷达的风速测量准确性,工作在半导体抽运Nd…YAG激光器倍频532nm的种子注入脉冲激光器的典型自由频率漂移可达15MHz/min,相当于4m/s风速误差。基于碘分子吸收光谱稳频原理,采用Labview虚拟仪器控制技术,对种子注入脉冲放大式的半导体抽运Nd…YAG激光器进行稳频,实现了脉冲激光器的频率扫描、碘分子1109光谱吸收线的自动匹配和频率锁定。长时间(大于2h)频率漂移标准偏差为0.8MHz,等效风速误差为0.2m/s,达到直接探测多普勒测风激光雷达长时间测量对脉冲激光器的频率稳定要求。     

应用于测风激光雷达的多普勒校准仪

测风激光雷达作为一种测速工具,系统的多普勒校准是验证测量准确性的关键步骤之一。针对车载、机载测风激光雷达的校准要求,设计了便携式多普勒校准仪。其基本原理是:利用已知目标的运动速度,与激光雷达系统测得的目标运动速度比较,得到系统的速度校准曲线。研制的多普勒校准仪自身系统相对误差为1%,小于激光雷达测量误差;其多普勒散射信号频谱展宽小于0.7 MHz,可以等效为气溶胶的后向散射谱。径向速度的连续调节范围可达±50 m/s。实验结果显示:当探测光子数接近2000时,激光雷达测速的精度为0.6 m/s。     

利用Fizeau干涉仪进行激光风速测量的原理分析

导出了激光多普勒雷达基于Fizeau干涉仪及CCD探测器进行测风时,每个CCD元最终接收到信号的一般表达式.对系统的参数做了整体优化,得出一组优化参数.在0～3 km高度,得出系统风速误差小于0.16 m/s.对最终的风速反演分别运用最小二乘拟合法和重心法.分析表明最小二乘拟合法只适用于风速较小的情况.详细分析了运用重心法计算风速必然会引起的误差,并提出一种解决方法.修正后,在±30 m/s风速范围内,该方法产生的误差小于0.25 m/s.     

Levenberg-Marquardt算法在测风激光雷达中的应用

分析了直接探测测风激光雷达中的Fabry-Perot标准具透过率的非线性理论模型。根据实验测量数据，利用Levenberg-Marquardt算法对理论模型进行参数优化估值，获得测量数据的最佳拟合曲线。数值计算表明，pseudo-Voigt函数能快速且很好地近似计算Voigt线形。对于Fabry-Perot标准具的宽带光透过率频谱响应曲线，可以采用Voigt函数拟合,也可以采用pseudo-Voigt函数拟合；当透过率频谱响应曲线用于风速反演时，若采用pseudo-Voigt函数拟合会造成低于1 m/s的测速偏差，因此必须采用Voigt函数拟合。     

基于布里渊激光雷达测量大气声速误差分析

为了对大气声速误差进行分析,利用布里渊散射信号激光雷达对大气声速进行了测量,分析了大气声速与大气布里渊频移、大气折射率和入射激光波长的具体关系,利用该方法测量了大气声速的精度,并进行了数值分析。结果表明,在标准大气条件下,0km～86km海拔高度范围内大气声速测量的不确定度小于0.269m/s。该误差的分析对激光雷达的设计具有参考价值。     

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。     

对基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达的研究

介绍了基于Fizeau干涉仪测风激光雷达的系统结构。在已有的系统参数下，对探测器测量的频率范围和Fizeau楔角作了优化，得出的系统误差在3 km处小于0.17 m/s。讨论了不同的数据反演方法。采用Voigt拟合法对用Monte?蛳Carlo方法模拟的信号进行了多次处理，反演出的风速和实际值相差很小，标准偏差和用最小二乘拟合方法的系统误差公式值相符。表明用Voigt拟合方法反演风速是可行的，尤其在大风速情况下，其优势明显。在3 km处，当K=0.1时，探测器的盲区存在将产生约0.01 m/s的测量误差。     

大气CO_2相干探测激光雷达系统性能分析

探测大气CO2浓度对气候环境的研究具有重要意义.采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比.目前1.5 μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5 μm可能成为未来探测大气分子或气溶胶激光雷达的主流波长.阐述了激光雷达相干探测大气CO2的原理,设计了1.5 μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5 μm相干探测CO2是可行的,经过3 min的脉冲积累,在3 km处仍具有高于10的信噪比值.该激光雷达相干探测系统也可用于大气风场探测.     

基于脉冲宽度调制技术的水浊度探测研究

介绍了水浊度常用的测量方法-散射法、透射法及比值法的原理,在此基础上结合脉冲宽度调制(PWM)解调技术,提出了采用调制光强测量浊度的方法,并详细介绍了实验系统的组成和调制解调实现电路.采用该实验系统对福尔马肼标准液进行测量,列出了测量数据,并绘出三种方法所测浊度的拟合曲线.对实验结果的分析和比较表明使用PWM调制结合比值法能最有效地排除背景光的干扰,在保证精度的前提下提高水浊度的测量范围.     

基于线性调频脉冲压缩的激光相干探测技术研究

针对现有的单频率脉冲相干探测激光雷达的高精度测量矛盾,研究采用线性调频脉冲压缩的方式实现相干激光雷达对目标的高精度测距和测速。文中介绍了线性调频脉冲压缩的原理并给出了仿真结果,并结合相干激光雷达系统的特点,并对系统的实现方式问题进行了探讨。