本文關(guān)鍵詞：相干激光測風(fēng)雷達(dá)大氣探測方法實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：相干激光測風(fēng)雷達(dá)具有較高的空間角分辨率與速度分辨率,可有效探測晴空條件下的低空風(fēng)場信息,具有重要的科研與社會意義。本文主要對相干激光測風(fēng)雷達(dá)的大氣探測方法進(jìn)行研究。首先,對相干激光測風(fēng)雷達(dá)國內(nèi)外的研究進(jìn)展進(jìn)行詳盡的綜述與分析。通過對國內(nèi)外相干激光測風(fēng)雷達(dá)發(fā)展的分析可知,1.55μm相干激光雷達(dá)是目前最具發(fā)展空間與使用價(jià)值的測風(fēng)雷達(dá)。針對目前1.55μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)作用距離有限的問題,提出通過相干積累的方法提高接收信號的信噪比,結(jié)合非相干積累提高接收信號的探測概率,從而提高系統(tǒng)探測性能的想法。其次,詳述了相干激光測風(fēng)雷達(dá)的基本探測理論。針對弱信號接收,介紹了回波信號的相干積累與非相干積累原理和方法。激光雷達(dá)回波信號的速度信息以多普勒頻移的形式表示,因此,對傅里葉經(jīng)典譜分析進(jìn)行了論述,內(nèi)容主要有信號與噪聲的傅里葉變換形式、傅里葉變換對信噪比的提高以及頻譜泄漏的相關(guān)理論等。再次,為了對相干激光測風(fēng)雷達(dá)的測速能力進(jìn)行評估,結(jié)合國內(nèi)外雷達(dá)速度檢測方法的分析對比,提出激光雷達(dá)測速能力檢測實(shí)驗(yàn)方案。建立以變頻調(diào)速電機(jī)為核心的測速性能檢測裝置,并選取最大似然離散譜峰值估計(jì)的方法對回波信號進(jìn)行頻域估計(jì)。針對雷達(dá)系統(tǒng)測速范圍確定電機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)行了16組相干激光測風(fēng)雷達(dá)測速實(shí)驗(yàn)。由于回波信號較強(qiáng),其回波信號無需進(jìn)行積累,因此對回波信號直接進(jìn)行頻譜估計(jì)。將電機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)測速結(jié)果進(jìn)行對比,分析系統(tǒng)測速精度,得到測速誤差的均方根為0.26m/s。同時(shí),對硬目標(biāo)影響激光信號的位相進(jìn)行分析,說明回波信號無法進(jìn)行相干積累,并對其原因進(jìn)行分析。最后,開展激光測風(fēng)裝置外場實(shí)驗(yàn)研究。分別采用光纖光環(huán)形器與空間光環(huán)形器,對500m固定目標(biāo)回波信號進(jìn)行相干積累,有效地將回波信號信噪比提升20dB,初步驗(yàn)證了相干激光測風(fēng)信號相干積累的可行性;對比分析光纖光環(huán)形器與空間光環(huán)形器的優(yōu)缺點(diǎn),通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光纖光環(huán)形器對信號相干積累的限制;詳細(xì)測定激光器種子源的拖尾與本底噪聲功率,對大氣風(fēng)場進(jìn)行探測,并在頻域上對雷達(dá)回波信號進(jìn)行修正。通過對比本底噪聲,檢測到硬目標(biāo)附近較強(qiáng)的剪切風(fēng)風(fēng)場頻域信息,定性驗(yàn)證系統(tǒng)對大氣風(fēng)場的頻域響應(yīng)。
【關(guān)鍵詞】：相干激光測風(fēng)雷達(dá) 相干積累 信噪比 光纖光環(huán)行器
【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】：2016
【分類號】：TN958.98
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-17
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.2 相干激光測風(fēng)雷達(dá)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及分析11-15
• 1.2.1 相干激光測風(fēng)雷達(dá)的實(shí)驗(yàn)探究階段11-12
• 1.2.2 相干激光測風(fēng)雷達(dá)的發(fā)展階段12-13
• 1.2.3 1.55μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)的發(fā)展階段13-15
• 1.2.4 國內(nèi)相干激光測風(fēng)雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀15
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容15-17
• 第2章 相干激光測風(fēng)雷達(dá)大氣探測基本原理17-26
• 2.1 引言17
• 2.2 相干激光測風(fēng)雷達(dá)工作原理17-19
• 2.2.1 相干探測基本原理17-18
• 2.2.2 雷達(dá)測速原理18-19
• 2.3 激光測風(fēng)雷達(dá)信號處理基本原理19-21
• 2.3.1 非相干積累基本原理20
• 2.3.2 非相干信號譜估計(jì)方法20
• 2.3.3 相干積累基本原理20-21
• 2.4 傅里葉變換性能分析21-25
• 2.4.1 真實(shí)信號的傅里葉變換21-22
• 2.4.2 高斯白噪聲的傅里葉變換22
• 2.4.3 傅里葉變換的信噪比增益22-23
• 2.4.4 傅里葉變換的頻譜分辨率23-24
• 2.4.5 頻譜泄漏24-25
• 2.5 本章小結(jié)25-26
• 第3章 相干激光雷達(dá)測速實(shí)驗(yàn)研究26-41
• 3.1 引言26
• 3.2 激光雷達(dá)測速實(shí)驗(yàn)方案26-28
• 3.3 測速原理分析28-31
• 3.3.1 測速實(shí)驗(yàn)原理分析28-29
• 3.3.2 測速信號處理原理分析29-31
• 3.4 伺服電機(jī)的選擇與實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)31-32
• 3.5 測速實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)32-34
• 3.6 測速實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析34-40
• 3.7 本章小結(jié)40-41
• 第4章 1.55μm相干雷達(dá)大氣探測實(shí)驗(yàn)研究41-58
• 4.1 引言41
• 4.2 收發(fā)隔離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析41-46
• 4.2.1 空間光環(huán)形器結(jié)構(gòu)與調(diào)試實(shí)驗(yàn)41-45
• 4.2.1.1 利用可見光指示的調(diào)試實(shí)驗(yàn)42-43
• 4.2.1.2 利用 1550nm外差回波信號作為指示的調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)43
• 4.2.1.3 利用CCD光斑成像高精度對準(zhǔn)的調(diào)試實(shí)驗(yàn)43-45
• 4.2.1.4 空間光環(huán)形器調(diào)試方案對比分析45
• 4.2.2 光纖光環(huán)行器的結(jié)構(gòu)45-46
• 4.3 相干積累可行性46-51
• 4.3.1 相干積累的可行性分析實(shí)驗(yàn)方案46
• 4.3.2 相干積累可行性的仿真驗(yàn)證46-49
• 4.3.2.1 離散信號的相干累積效率仿真分析47-48
• 4.3.2.2 光程對相干累積效率影響的仿真分析48-49
• 4.3.3 相干積累可行性的實(shí)驗(yàn)分析49-51
• 4.3.3.1 采用光纖光環(huán)行器的相干積累可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)49-50
• 4.3.3.2 采用空間光環(huán)行器的相干積累可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)50-51
• 4.4 光纖光環(huán)形器對相干積累的限制分析51-54
• 4.5 相干激光雷達(dá)大氣探測實(shí)驗(yàn)54-57
• 4.6 本章小結(jié)57-58
• 結(jié)論58-60
• 參考文獻(xiàn)60-64
• 致謝64

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本文編號：515723