本文選題：相干測風(fēng)激光雷達(dá) + 信號預(yù)處理　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：1550 nm相干測風(fēng)激光雷達(dá)具有距離和速度分辨率高、人眼耐受性強(qiáng)以及能實(shí)現(xiàn)小型化和晴空三維探測的優(yōu)點(diǎn),使其在低空安全、氣象研究和風(fēng)能開發(fā)等方面具有廣泛地應(yīng)用前景和重要地研究意義。大氣風(fēng)場瞬息萬變,尤其在關(guān)系到飛行安全時(shí),實(shí)現(xiàn)相干激光雷達(dá)信號的實(shí)時(shí)預(yù)處理十分必要。本文選用FPGA對相干測風(fēng)激光雷達(dá)的信號預(yù)處理部分進(jìn)行設(shè)計(jì),來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理的目的。首先,闡述了本文的研究背景和意義,并且從相干測風(fēng)激光雷達(dá)和數(shù)據(jù)處理算法的國內(nèi)外發(fā)展兩個(gè)方面進(jìn)行了綜述,給出了分析。這里把簡化最大似然估計(jì)的各種方法分成功率譜估計(jì)和頻譜校正兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。接著,詳細(xì)地?cái)⑹隽讼喔杉す饫走_(dá)探測風(fēng)場和信號處理的基本原理。在本文相干激光雷達(dá)的基礎(chǔ)上擬定出一種數(shù)據(jù)處理的初步方案,其中重點(diǎn)研究了快速傅里葉變換原理和頻譜校正的原理。然后,通過MATLAB仿真驗(yàn)證了頻譜校正方法,對比分析后本文選擇比值方法。為了達(dá)到信號的實(shí)時(shí)預(yù)處理的目的,選擇FPGA進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。在設(shè)定硬件電路各個(gè)功能的前提下,選擇Xilinx公司的XC7K70T型號的FPGA芯片、12位500 MSPS的AD芯片和CPCI總線等設(shè)計(jì)完成了電路。在FPGA的內(nèi)部軟件設(shè)計(jì)部分,主要完成了高速AD采集、32路并行FFT運(yùn)算和自相關(guān)累加等。最后,本文進(jìn)行了硬目標(biāo)測速實(shí)驗(yàn)和外場風(fēng)場探測實(shí)驗(yàn)。利用MATLAB處理測量伺服電機(jī)帶動(dòng)葉片的速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)分析得出本激光雷達(dá)測速精度能夠達(dá)到小于1 m/s,并且選用的比值校正算法能得到較好的效果。但是基于FPGA計(jì)算結(jié)果的誤差則有所增加,最大是1.25 m/s。在測風(fēng)實(shí)驗(yàn)中,用FPGA處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到不同距離門處的累加結(jié)果,并對其觀察得出風(fēng)速信息。通過本次測風(fēng)實(shí)驗(yàn),基本驗(yàn)證了FPGA處理測風(fēng)數(shù)據(jù)方案的可行性。
[Abstract]:The 1550 nm coherent wind lidar has the advantages of high range and velocity resolution, strong human eye tolerance, miniaturization and three dimensional clear sky detection, which makes it safe at low altitude. Meteorological research and wind energy development have broad application prospects and important research significance. The atmospheric wind field changes rapidly, especially when the flight safety is concerned, it is necessary to realize the real-time preprocessing of coherent lidar signal. In this paper, FPGA is used to design the signal preprocessing part of coherent wind lidar to realize the purpose of real time processing. Firstly, the research background and significance of this paper are described, and the development of coherent wind lidar and data processing algorithms are summarized and analyzed. In this paper, the simplified maximum likelihood estimation methods are introduced in two aspects: success rate spectrum estimation and spectrum correction. Then, the principle of detecting wind field and signal processing by coherent lidar is described in detail. Based on the coherent lidar in this paper, a preliminary scheme of data processing is developed, in which the principle of fast Fourier transform and the principle of spectrum correction are mainly studied. Then, the spectrum correction method is verified by MATLAB simulation, and the ratio method is chosen after comparison and analysis. In order to achieve the goal of real-time signal preprocessing, FPGA is selected to design the hardware circuit and software. On the premise of setting each function of the hardware circuit, the circuit is designed by selecting XC7K70T FPGA chip of Xilinx company and AD chip of 500MSPS with 12 bits and CPCI bus. In the internal software design of FPGA, 32 channels parallel FFT operation and autocorrelation accumulation are accomplished. Finally, the velocity measurement experiment of hard target and the wind field detection experiment are carried out in this paper. By using MATLAB to deal with the experimental data of measuring the speed of the blade driven by the servo motor, it is concluded that the accuracy of the lidar speed measurement can be less than 1 m / s, and the ratio correction algorithm selected can get better results. However, the error based on FPGA results is increased, the maximum is 1.25 m / s. In the wind measurement experiment, the experimental data are processed with FPGA, and the accumulated results at different distance gates are obtained, and the wind speed information is obtained by observing them. Through the wind measurement experiment, the feasibility of FPGA to deal with wind data is verified.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN958.98

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2099719