2 μm星载相干测风激光雷达风速及风向误差建模与分析

基于全微分和统计理论推导了星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差的解析表达式,利用克拉默-拉奥误差下界代替Frehlich经验公式对风场的随机风速误差进行评估,建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型.在NASA/NOAA提出的星载测风激光雷达系统设计指标框架下,对风速及风向误差模型进行可行性分析,得到了总的径向随机误差随着探测距离的变化关系及水平风速区间的选取对随机误差的影响.同时,为了计算合成采样误差,改变不同的垂直分辨率和方向角取值,对水平分量的采样误差进行对比分析.仿真结果表明,合成的水平风速和风向的误差范围为0.8~3.2 m/s和2.38°~3.49°,基本符合星载测风激光雷达的相关指标要求.     

非相干多普勒测风激光雷达鉴频算法

风场对大气的运动状态和运动趋势具有很强的代表性,所以风场的测量精度对数值天气预报和气候研究都至关重要。激光雷达具有很高的时空分辨率,在近几十年发展迅速,在对地观测中的作用越来越大,尤其在大气风场的探测中得到了很大的应用。本文从探测原理、分类和技术等方面分别对多普勒测风激光雷达进行了介绍,并着重总结了非相干多普勒测风激光雷达的多普勒频移算法,可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。     

多普勒测风激光雷达研究进展

简述了多普勒测风激光雷达测风的意义,报道了多普勒测风激光雷达的发展动态.综合该领域的发展情况,按探测方式的不同,分相干技术和直接探测技术分别讨论了测风激光雷达的应用及其特点,比较了各种系统的性能.     

国外星载激光雷达研究进展

星载激光雷达可以获取全球的高精度地球探测数据,在对地观测中起到越来越重要的作用。介绍了美国和欧洲星载激光雷达的发展历程。从探测原理、探测系统和探测结果等方面分别对地球激光测高系统星载激光雷达、正交偏振云-气溶胶星载激光雷达以及大气激光多普勒测风星载激光雷达进行了详细介绍。并对3台星载激光雷达的接收望远镜的结构和材料进行了分析。可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。     

相干激光雷达平衡外差探测方法的数值仿真

建立了相干激光雷达平衡外差探测的理论模型及其数学描述,包括响应电流模型和信噪比模型.在两个模型的基础上,对平衡外差探测与一般相干探测进行比较,分析出它在消除本振相对强度噪声、提高信噪比和充分利用本振光功率上的优势.最后利用MATLAB数值仿真,着重研究了平衡外差探测方法的信噪比,验证了其在相干激光雷达探测上的优越性,并...     

外差探测激光多普勒雷达系统性能研究

外差探测激光多普勒雷达由于具有测速精度高和可辨别速度方向等优点而广泛应用于测风、流体测速以及着陆导航等方面。对外差激光多普勒雷达的测速原理、误差来源和系统噪声进行了分析,并给出了系统的信噪比和探测精度的仿真结果。搭建了全光纤外差探测激光多普勒系统。用研制的高精度运动目标模拟器开展了相关测速实验。实验结果表明,速度测量精度优于6.7 cm/s,而且与速度大小基本无关,这与仿真分析结果相一致。     

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。     

相干测风激光雷达微弱信号的频率估计

相干测风激光雷达通过探测大气气溶胶的多普勒频移信息获取风速信息。其回波信号为微弱信号,微弱信号中频率提取属于频率估计范畴。经补零处理后的快速傅里叶变换算法（补零FFT算法）应用于相干测风激光雷达频率估计,具有算法简单,运算速度快,稳定性高等优点。与常用的频率估计算法脉冲对算法（PP算法）和改善型脉冲对算法进行比较,验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达微弱信号频率估计方面的明显优势。通过仿真软件MATLAB仿真非相参积累脉冲3 000次的前提下检测微弱信号（距离门宽度为128采样点）信噪比可达-26.6 dB。最后,通过风场试验获取实测风速数据,验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达中应用的优越性。     

中高层大气瑞利多普勒测风激光雷达性能分析(英文)

设计了基于Fabry-Perot(FP)标准具的中高层大气(20~60 km)多普勒测风激光雷达(DWL)系统。介绍了激光雷达的多普勒测风基本原理;根据探测指标分别给出了DWL的发射机、接收机、发射接收光学和风场反演等子系统方案,重点对接收机的参数进行了详细的设计与分析;最后对全系统的信号信噪比、探测偏差进行了理论模拟。得出的结论为:当脉冲累计时间为5 min(15 000 shots)时,该系统在晚上60 km高度处的探测偏差为3.6 m/s。     

基于线型预测频谱估计的相干激光雷达功率谱分析方法EI北大核心CSCD

基于多普勒效应的相干激光雷达广泛应用于测风等大气探测领域,实际应用于风场观测时,由于噪声杂波干扰、回波信号较弱和风场不均匀性等影响了多普勒频移估计的精度。为准确估计激光雷达弱回波信号中的多普勒频移,提升相干测风激光雷达的探测距离和探测精度,文中开展了基于激光雷达功率谱信号的多普勒频移估计算法以及探测性能提升的评估研究。在快速傅里叶变换的基础上,提出了一种结合线性预测频谱估计与导数增强方法的功率谱分析方法,通过与常用的最大似然离散谱峰值频移估计算法(ML DSP算法)进行比较,验证了文中方法在相干测风激光雷达微弱信号频移估计过程中的优势。风速数据的时间及空间相关性分析结果表明,功率谱分析方法具有更好的风速估计稳定性,有效风场探测距离相较ML DSP算法提升了73%。与超声风速计对比结果表明,文中提出的综合算法在弱信号情况下的风速测量精度高,风速结果与超声风速计的标准偏差相较ML DSP算法降低了0.23 m/s,偏离率BIAS降低了0.3 m/s,有效提高了低信噪比范围内多普勒频移估计的精度。     

Laser Radar range optimization for detecting and tracking Airborne cooperative targets

A high resolution Nd-YAG pulsed Laser Radar “LIDAR” system is proposed for detecting and tracking Airborne cooperative retro-reflector carrying targets against noise, clutter and back-scatter sources. A previous range computation method is improved and new possibilities of coherent heterodyne detection and phase conjugate elements are discussed. The presented analysis and computation method has proved to be valuable in the feasibility and design stages of operation LIDAR detection and tracking systems.     

Determination of Optimum Antenna Number Ratio Based on Differential Evolution for MIMO Systems under Low SNR Conditions

In this paper, we derive a simple expression to determine the optimum antenna number ratio for multi-input multi-output systems under low signal- to-noise ratio (SNR) conditions. The parameters of the proposed expression are optimally determined by the differential evolution algorithm. The accuracy of the new expression is evaluated at different low SNRs. Numerical results show that the expression introduced in this paper significantly outperforms the high SNR approximation, and the results exhibit very good agreement with the optimum antenna number ratios that maximize the noise-limited asymptotic capacity expression.     

2μm双平衡式外差探测IQ解调与信噪比研究

建立了双平衡式外差探测IQ解调的数学模型,通过旋转λ/4波片来改变IQ信号间的相位差。从本振光强度过剩噪声、散粒噪声和热噪声三个方面对平衡式外差探测系统的信噪比(SNR)进行了仿真。仿真结果表明,当旋转λ/2波片使分束比在(0～0.272)和(0.728～1)范围内时,单源探测信噪比比平衡式探测的信噪比高;而分束比在(0.272～0.728)时平衡式探测的信噪比高于单源探测。搭建了2μm双平衡式外差探测实验系统,当分束比为0.5时,平衡式外差探测的信噪比比单源外差探测的信噪比提高10dB以上,从而证明了双平衡式外差探测系统在微弱信号检测中的可行性和优越性。     

光纤脉冲相干激光测风雷达光学天线特性分析

为了提高光纤脉冲相干激光测风雷达性能,采用数学建模的方法来分析光学天线特性。利用后向传播本振原理,讨论光学天线口径对系统载噪比的影响,以及光瞳截断比对天线效率的影响; 提出光学接收耦合效率的定义,研究不同大气折射率结构常数条件对耦合效率和测程的影响;通过搭建实验平台,测量不同距离门内的载噪比和频谱强度等参数,验证了仿真结果。结果表明,当远场探测距离在7km~10km范围内变化时,天线最优口径为100mm,光瞳截断比最优值为0.8;相较弱湍流情况,强湍流会使同一系统测程下降近30%。此研究为光学天线的优化设计提供了理论依据。     

利用激光多普勒外差原理对振动物体测量及分析

为了测量低频振动物体频率和振幅,采用激光多普勒测量和外差相干检测方法,建立一个利用激光外差干涉技术测量多普勒效应的实验,进行了理论分析和实验验证,取得了频率标准偏差数据。结果表明,系统检测物体振动频率,并对振源频率500Hz进行测量并且验证有效性,测量标准偏差小于5.610-8;系统信号探测强度和物体振幅呈线性关系,证明随压电陶瓷电压降低探测振幅强度减小。这一结果对了解振动目标特性是有帮助的。     

Stationary echo canceling in velocity estimation by time-domain cross-correlation

The application of stationary echo canceling to ultrasonic estimation of blood velocities using time-domain cross-correlation is investigated. Expressions are derived that show the influence from the echo canceler on the signals that enter the cross-correlation estimator. It is demonstrated that the filtration results in a velocity-dependent degradation of the signal-to-noise ratio. An analytic expression is given for the degradation for a realistic pulse. The probability of correct detection at low signal-to-noise ratios is influenced by signal-to-noise ratio, transducer bandwidth, center frequency, number of samples in the range gate, and number of A-lines employed in the estimation. Quantitative results calculated by a simple simulation program are given for the variation in probability from these parameters. An index reflecting the reliability of the estimate at hand can be calculated from the actual cross-correlation estimate by a simple formula and used in rejecting poor estimates or in displaying the reliability of the velocity estimated.     

Optical heterodyne detection of an atmospherically distorted signal wave front

The effect of atmospheric distortion of an optical wave front on the performance of an optical heterodyne detection system is examined theoretically. With the distortion measured by the phase and log-amplitude structure functions, an exact expression is derived relating the distortion to the detector signal-to-noise ratio. It is shown that because of distortion there is a limit to the achievable signal-to-noise ratio no matter bow large the detector collection aperture is. The minimum aperture diameter which will (nearly) achieve this limit, called the efficiency saturation dimension r0, is obtained in terms of the phase and log-amplitude structure fractions. Using the current theory for propagation in a turbulent medium, an expression for r0is obtained for a receiver in the atmosphere looking at a source above the atmosphere. The expression is in terms of the wavelength, the receiver altitude, and the zenith angle of the receiver line-of-sight.     

强背景下光电系统空间目标探测能力

光电系统可见光探测在空间目标监测中发挥着重要作用,而强背景下空间目标探测一直是限制光电探测设备能力的瓶颈;为了提高光电系统实际探测能力,从系统探测能力表征参数-信噪比入手,分析了系统探测信噪比的理论公式和选择原则;针对强背景对光电系统探测信噪比的影响,分析给出了不同光谱滤波方式对光电系统探测信噪比的影响程度; 分析了不同布站方式对系统探测能力的影响,并开展了实际观测测量。理论分析表明,采用合适的光谱滤波技术可有效提高光电系统的探测能力,系统探测信噪比提高1 倍;通过合理布设光电系统的观测站点,使得光电系统对空间目标的探测能力显著提高,对目标的可探测概率从51%提高到96%,理论分析与实验观测结果基本一致。     

基于合成孔径激光雷达的目标探测

为了研究合成孔径激光雷达在目标探测中的应用,从建立合成孔径激光雷达的信号传输及回波模型出发,理论分析了合成孔径激光雷达回波信噪比、探测距离、合成孔径时间和解线性调频处理4个方面的特点与优点,并与一般相干体制的激光雷达以及合成孔径雷达进行了对比。结果表明,合成孔径激光雷达比一般相干体制雷达具有更高的回波信噪比和更远的探测距离,且相对于合成孔径雷达具有更快的成像速度。这一结果有助于合成孔径激光雷达应用于远距离目标探测、跟踪与快速预警。