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.     

相干激光测风雷达信号提取与仿真

讨论了将脉冲信号积累应用于相干激光雷达的具体方法,并利用Simulink软件平台对信号处理过程进行仿真。由仿真结果可知,在相应的设定下,进行0.028 s以上的相干积累,信噪比(SNR)增益可达22 dB以上;如果在0.007 s内先进行短时相干积累,再进行非相干积累,当积累总时间超过0.020 s时,信噪比增益将达到18 dB 以上。     

相干多普勒激光测风雷达系统研究及验证

介绍了相干多普勒激光测风雷达国内外现状,阐述了其基本原理,给出了风速矢量反演计算过程,并对相干多普勒激光测风雷达系统方案进行了分析,利用标校塔以及超声波测风仪等设备进行了风场测量验证实验,获得了80~600m处的风场信息,验证了测风系统的设计指标。     

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。     

激光相干测风技术应用研究

激光相干探测技术能够在晴空下实时获得高时空分辨率的风场分布,是目前研究大气风场的一种重要手段。首先简述了 大气风场测量的意义,针对激光相干测风技术进行了介绍。随后结合目前相干多普勒测风激光雷达的发展情况,重点对相干 激光测风探测技术在不同领域上的应用进行分析和总结。最后,通过对比目前相干探测技术的应用缺陷,进一步分析了相干探测技术的应用前景。     

基于滤波器组的风廓线雷达信号处理技术

综述了风廓线雷达信号处理算法的新发展。目前,在实际的风廓线雷达中仍广泛使用经典的信号处理方法,一些新算法、新方案由于各种原因不能实用,还不能取代经典的处理算法。鉴于这些原因,并考虑到现在硬件水平迅速提高的实际,提出一个可行的改进方案。该方案取消了风廓线雷达经典信号处理中的时域积累,并用窄带滤波器组取代加窗FFT,由于滤波器组设计灵活,硬件实现方便,故可迅速地应用到现行风廓线雷达中。仿真实验表明,采用窄带滤波器组可以在单脉冲信噪比-38dB的条件下正确检测风廓线回波,检测性能比经典处理方法提高了3dB。     

2μm相干测风激光雷达研究

2μm波长处在人眼的安全波段，2μm激光雷达，尤其是2μm测风激光雷达的研制具有重要的现实意义。文章描述了2μm相干测风激光雷达的基本原理、系统的组成及具有的功能，同时对相干探测技术、相干光路、相干探测效率、白适应光学系统、快速光束扫描及高稳频本振激光器技术等几个影响相干激光雷达探测性能的关键技术进行了综述，为具体的工程应用提供了依据。     

脉冲压缩技术在相干激光探测中的应用

针对宽脉冲相干激光雷达信号处理遇到测距精度差的问题,将脉冲压缩算法引入到相干激光雷达信号处理中。文章首先对脉冲压缩相干激光雷达测距原理和精度进行理论分析,通过仿真实验验证该理论正确性。仿真结果表明采用脉冲压缩的信号处理方法可以实现测距,并且可以提高测距距离和测距精度,为以后相干激光雷达测距提高作用距离与测距精度提供了重要的理论依据。     

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...     

小波变换与匹配滤波耦合的激光雷达弱信号处理

远距离激光雷达回波信号弱,干扰强,处理比较困难。距离越远,得到的有用信号就越弱。为了提高激光雷达检测距离,对弱信号进行数字信号处理就显得很重要。采用一般方法常将干扰信号判断成有用信号,从而影响了激光雷达的工作能力。夺文采用小波变换和匹配滤波耦合的方法对激光雷达弱信号进行处理,既能从强噪声中提取有用信号,又能有效的去掉强干扰信号。采用一台TEA—CO2激光器进行实验,当采样速率达到200MHz时,对于信噪比大于1．2的含噪信号能有效地去掉噪声和强干扰信号,在保持原信号特征的情况下,准确地提取出有效的弱信号。这就有效地提高了激光雷达的工作能力。     

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,...     

相干激光测风雷达环行器参量对测程的影响

为了提高激光测风雷达性能,采用数学建模的方法,基于环行器工作原理,分析了环行器出射光束质量,讨论了光束发散角对目标距离处激光峰值光强的影响,提出了环行器光束接收效率定义,研究了发射和接收光轴偏轴度对探测距离的影响。并搭建实验平台,取得远场光斑参量,验证了仿真结果。结果表明,随着出射光束发散角增大,相同作用距离处的相对峰值光强减小;雷达探测距离主要受偏轴角度的影响,mrad量级的偏角会使探测距离减小89.7%。因此,应合理增大光学天线准直倍率,并且设计的角度调节结构精度应优于0.1mrad量级。     

相干激光测风雷达高分辨距离门自适应技术研究

脉冲相干激光测风雷达的信号处理通常采用固定长度距离门来划分时域信号,并对每个距离门做频谱计算得到风速度信息。固定距离门的时域信号划分存在中频信号的非整周期截断问题,导致频谱计算时出现频谱泄露而产生误差,使信噪比降低。文中提出一种基于整周期搜索的自适应距离门划分方法,距离门长度与中频信号频率自适应,可实现对信号的整周期分割,避免了频谱处理中的频谱泄漏问题,提高频率估计精度。采用加噪信号对两种处理方法进行仿真分析,结果表明:自适应距离门方法可实现距离门长度与中频信号的自适应,在信噪比小于1 dB时,该方法得到的中频估计误差是固定距离门方法的38%~62%。应用自适应距离门方法处理激光测风雷达系统获取的转盘和风场回波信号,与使用固定距离门方法的激光测风雷达测量结果进行对比。结果表明:自适应距离门划分方法对转盘速度测量的均方根误差为0.19 m/s,大气风速度测量的距离分辨率在7~11 m之间变化,均优于固定距离门方法,实现了激光测风雷达的距离分辨率和测量精度的提升。     

相干测风激光雷达VAD风场反演的数据质量控制方法

相干测风激光雷达扫描测量模式下使用速度方位显示（VAD）方法反演水平风场时,若不进行质量控制,会使拟合数据精度大幅降低。基于最小二乘VAD拟合算法,通过分析相干测风激光雷达扫描测量模式中的多种误差源,设置了信噪比、数据残差、扫描区间有效数据、数据有效率四个判据对参与拟合的数据质量进行控制,进而提出了基于以上判据的VAD逐级拟合质量控制方案,设计了数据质量控制流程,并对该方法进行了实验验证。通过对2 955组10 min平均激光雷达测风数据与高精度风杯数据进行对比分析,结果表明:经VAD逐级拟合质量控制流程后,风速均方根偏差从0.97 m/s降低到0.54 m/s,比对偏差降低约44%,风向均方根偏差从7.47降低到5.55,比对偏差降低约26%。