【摘要】：相干測風(fēng)激光雷達(dá)具有晴空測量精度高、響應(yīng)速度快、時空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在大氣風(fēng)場探測方面具有明顯的優(yōu)勢。星載相干測風(fēng)激光雷達(dá)作為獲取全球風(fēng)廓線的重要探測手段，業(yè)已成為世界各國研究的熱點(diǎn)，但由于儀器設(shè)計精度要求高、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大及研制成本高等問題，至今尚未有在軌運(yùn)行的設(shè)備。國內(nèi)雖然也有一些機(jī)構(gòu)開展相干測風(fēng)激光雷達(dá)的研究工作，，但總體上與國外還有較大的差距，尤其是星載相干測風(fēng)激光雷達(dá)設(shè)計和研制方面。本論文以相關(guān)預(yù)研項(xiàng)目為背景，針對星載相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)和地基驗(yàn)證系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。 本文主要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)據(jù)處理兩個方面的研究，一是開展相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化及誤差溯源研究，給出了相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)體系的設(shè)計方案，為星載及地基相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)優(yōu)化評估及研制提供重要的理論依據(jù)。二是數(shù)據(jù)仿真和數(shù)據(jù)處理算法研究，依據(jù)優(yōu)化得到的地基相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)值，建立了端到端的時域信號生成算法模型；并分別針對模型生成的仿真數(shù)據(jù)和全光纖系統(tǒng)獲取的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相干測風(fēng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法研究。 本文主要創(chuàng)新工作內(nèi)容如下： 1）完成了星載相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)建模及總體指標(biāo)的設(shè)計。依據(jù)相干測風(fēng)激光雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了包括大氣傳輸模型、激光器模型、發(fā)射與接收光學(xué)系統(tǒng)模型、光電探測及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模型的仿真計算模型，并針對相干測風(fēng)激光雷達(dá)的關(guān)鍵參數(shù)——本振光功率、望遠(yuǎn)鏡孔徑和望遠(yuǎn)鏡截斷因子，設(shè)計了相應(yīng)的優(yōu)化選取算法。 2）構(gòu)建了通用的星載相干測風(fēng)激光雷達(dá)合成水平風(fēng)速和風(fēng)向的誤差計算模型。針對星載相干測風(fēng)激光雷達(dá)的運(yùn)行體制，首次基于全微分和統(tǒng)計學(xué)理論，利用CRLB誤差下界代替Frehlich的經(jīng)驗(yàn)公式對隨機(jī)風(fēng)速誤差進(jìn)行評估，構(gòu)建了通用的星載相干測風(fēng)激光雷達(dá)合成水平風(fēng)速和風(fēng)向的誤差計算模型。將系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行集成，基于MATLAB GUI界面平臺編寫了一套交互式相干測風(fēng)激光雷達(dá)星載/地基系統(tǒng)性能優(yōu)化及誤差溯源仿真軟件。 3）建立了端到端的時域信號生成算法。結(jié)合大氣分層模型和隨機(jī)噪聲生成算法，生成了時域仿真信號，并分別針對線性風(fēng)速和湍流隨機(jī)風(fēng)速下的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。對于線性風(fēng)速的情況，建立多脈沖風(fēng)速評估結(jié)果的概率分布函數(shù)，降低散斑效應(yīng)的影響。對于湍流隨機(jī)風(fēng)速，提出了一種基于相關(guān)函數(shù)的實(shí)數(shù)湍流隨機(jī)風(fēng)速生成算法，給出了高斯脈沖下的能量耗散率的驗(yàn)證的算法流程，并首次考慮不同發(fā)射脈沖形狀，對湍流識別算法的影響進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證。 4）針對全光纖相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理算法研究�；谕獠钐綔y理論，對平衡探測器的信號電流和噪聲電流的形式進(jìn)行了理論分析，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對平衡探測器的噪聲理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；對最大似然算法在全光纖相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，最大似然算法對弱信號的識別能力比快速傅里葉變換算法精度更高；為了減少噪聲的抖動影響，提出了一種新的距離門噪聲去除算法，該算法采用多項(xiàng)式最小二乘法擬合計算每個距離門的基底噪聲，根據(jù)真實(shí)的采集數(shù)據(jù)，對采用基底噪聲扣除算法和距離門噪聲去除算法進(jìn)行對比分析。
【圖文】：

按照探測方式的不同，測風(fēng)激光雷達(dá)可以分為非相干（直接）測風(fēng)激光雷達(dá)干測風(fēng)激光雷達(dá)[10, 11]。其中相干測風(fēng)激光雷達(dá)采用外差探測方式，將回波信信號在探測器表面混頻，由多普勒頻移信息反演得到大氣風(fēng)場，原理圖如圖。

美國國家航空航天局 NASA 研制的 LAWS(LaserAtmo統(tǒng)開創(chuàng)了星載相干測風(fēng)激光雷達(dá)的先河。LAWS 系統(tǒng)[17]采用 C量接近 20J，重復(fù)頻率 5Hz，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接近 1.6m，圖 1.2 是該計劃后因系統(tǒng)體積龐大、預(yù)算超支等因素被迫取消。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN958.98

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2545794