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。     

双激光雷达的水平风场估计方法

针对民航机场区域内单部激光雷达探测水平风场存在较大误差的问题,提出一种基于支持向量回归的双激光雷达水平风场估计模型。该模型以两部激光雷达重叠扫描区域风速为基础,对非重叠区雷达径向的其他数据点水平风速进行估计。首先,提取重叠区的径向风速、水平风速和距离三个特征,以重叠区域数据点为训练集,在同一维度规范化后设定惩罚因子和核函数参数,用支持向量回归得到初始估计值。然后,以单部激光雷达的径向风速为先验条件,估计出非重叠区相邻径向点水平风速。将估计的结果扩展为新的训练集,依次逐步扩大训练集进而估计出非重叠区的水平风速。最后,通过实测数据分析了该方法逐步估计的误差,分析了风速大小和回波信噪比对该方法估计性能的影响,结果表明该方法估计的风场的均方根误差较单部雷达的均方根误差更小,减小了水平风速误差,扩大了双激光雷达探测水平风场范围,提高了雷达的利用率。     

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。     

光电倍增管在直接探测激光雷达中的应用研究

在高层大气探测中,直接探测多普勒激光雷达具有比较优势.总结了直接探测激光雷达作用距离方程,分析了大气溶胶与大气分子散射、消光作用对激光传输的影响,利用Kolmogorov湍流模型估算大气湍流对回波信号的衰减.比较了没有对回波信号放大和用光电倍增管探测时所需发射脉冲的能量,仿真结果显示光电倍增管用于直接探测激光雷达,很好地抑制了探测器中的热噪声,改善了系统的性能,探测灵敏度提高了25.54 dB.     

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。     

白光激光雷达的发展与应用

飞秒激光脉冲在空气中传输时产生独特的成丝现象,伴随着波长从紫外到中红外的超连续光谱辐射。高强度的光丝能继续与物质发生强烈的非线性相互作用,诱导多光子荧光和等离子体光谱等非线性光谱辐射。白光激光雷达以飞秒激光脉冲大气传输特性为基础,能提供多种遥感探测方法。文章阐述了飞秒激光脉冲成丝机理与白光激光雷达系统结构特点,介绍了国内外主要白光激光雷达的性能特点、白光激光雷达的主要探测方法与应用情况,最后分析了白光激光雷达的发展趋势。     

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。     

微脉冲米散射激光雷达系统的产品化研发及实验观测研究

采用模拟探测技术研发了具有三维扫描功能的微脉冲米散射激光雷达产品,用于高密度气溶胶聚集地区的大气气溶胶光学特性及云的精确探测。详细的介绍了该系统的整体结构、系统控制和数据采集处理软件。利用该系统对西安地区气溶胶及城市边界层特性进行观测研究,实验结果表明：在激光脉冲能量为50μJ,望远镜接收孔径为254mm,信号平均时间40s及距离分辨率为7.5m的条件下,系统测量气溶胶的有效距离可达到白天5公里左右,夜晚15公里。系统可以为研究大气变化,特别是为研究颗粒污染物的产生,传输和扩散的特性提供科学的测量数据。     

基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

大气湍流广泛存在于大气中, 其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相 干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据, 另一方面基于Kolmogorov 局地均匀各项同性理论, 即在惯 性子区内湍流的特征只与湍能耗散率 ε 有关, 将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中, 通过实测 数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合, 从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数 (径向风速 方差、湍流积分尺度和 ε 等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征, 给出大气湍流参数的斜程空间分布图, 并与 同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析, 发现两者具有较好的一致性, 证实了斜程湍流参数反演方 法的可靠性。     

脉冲激光器种子注入状态检测装置与实验研究

为了解决非注入状态激光脉冲对非相干多普勒激光雷达测风结果可靠性的影响,利用注入与非注入状态激光脉冲建立时间不同的原理,设计和实现了一种脉冲激光种子注入状态检测器,其时间测量精度为45ps,测量时间范围为3.5ns~2500ns,最高脉冲重复频率为1kHz。利用该检测器对某型号Nd:YAG脉冲激光器进行了种子注入状态检测实验,结果显示注入(非注入)状态脉冲建立平均时间为123.27ns(134.44ns),1.35h内非注入状态激光脉冲占总激光脉冲比例为8.54%。结果表明,该脉冲激光种子注入状态检测器能够有效地检测出非注入状态的激光脉冲,对于提高激光雷达测风可靠性具有潜在的价值。     

星载多普勒测风激光雷达小型化光学接收机

星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息,已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道,设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机,结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数,对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求,接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中,内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内,整体结构稳定可靠,集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线,对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真,仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响,分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时,会引起1 m/s的风速误差增量。     

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。     

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。     

一种基于激光雷达探测的风场多特征反演方法北大核心CSCD

在航空安全领域,准确掌握低空风切变、湍流、飞机尾流等精细的三维风场信息,能为飞机安全起降提供重要支撑,其中激光雷达是极具潜力的风场信息精细获取的传感器。本文提出一种基于激光雷达的体积扫描策略及多风场特征获取方法,采用交替多个特定高度角的圆锥扫描方式,通过一次体扫综合实现三维风场反演、风切变预警以及湍流强度特征参数反演等功能。仿真和机场实验验证了本方法对于机场周边风切变和湍流的探测反演具有较好的性能。     

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。