【摘要】：目前激光測風(fēng)雷達(dá)是國際民航組織確認(rèn)的唯一具有晴空測風(fēng)能力的遙測手段。隨著光通信技術(shù)的發(fā)展,1.5μm相干激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展趨于成熟,使得1.5μm的激光雷達(dá)逐漸成為各國研究熱點。由于1.5μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)使用光纖作為信號的傳輸介質(zhì),并且采用全光纖激光器作為光源,使得雷達(dá)的結(jié)構(gòu)簡單,可以小型化和工程化。但是使用單頻全光纖激光器作為1.5μm的激光雷達(dá)光源,導(dǎo)致該波段的激光雷達(dá)發(fā)射脈沖能量比較低,限制了1.5μm的相干激光測風(fēng)雷達(dá)的探測距離,為此本文對1.5μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)提高信噪比的探測方法進(jìn)行了研究。首先,對相干激光測風(fēng)雷達(dá)的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。針對1.5μm相干激光雷達(dá)發(fā)射單脈沖能量低的問題,目前的解決方法是采用鉺、鐿共摻的玻璃為介質(zhì)的放大器來提高發(fā)射信號的單脈沖能量。這種解決方法放棄了雷達(dá)全光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。因此,本文為了保留1.5μm相干激光測風(fēng)雷達(dá)全光纖結(jié)構(gòu),提出了對激光雷達(dá)信號使用相參積累方法來提高回波信號的信噪比的方法。其次,提出了實現(xiàn)激光雷達(dá)信號相參積累的方案,并闡述了激光雷達(dá)信號相參積累的相關(guān)理論。由于相參積累方法要求信號的頻率和位相具有相參性,而本套設(shè)備的發(fā)射信號帶有初位相,為了能夠消除發(fā)射信號間的位相差,本文研究了實現(xiàn)激光雷達(dá)信號相參積累的方案。方案中包括:鑒相模塊和位相對齊模塊兩個部分,鑒相模塊對激光脈沖信號進(jìn)行數(shù)字鑒相,位相對齊模塊根據(jù)數(shù)字鑒相所得位相值對回波信號進(jìn)行位相對齊和時域積累。根據(jù)所提出的激光雷達(dá)信號的研究方案,在MATLAB中建立了激光雷達(dá)信號處理的仿真實驗平臺。然后,提出了鑒相模塊的研究方案,并完成了鑒相模塊的研究。利用仿真平臺,分析了兩種獲取鑒相信號的方法,確定改進(jìn)實驗設(shè)備方案,以此獲取鑒相信號,并完成了對實驗設(shè)備的改進(jìn);利用仿真平臺對數(shù)字正交混頻方法進(jìn)行了仿真分析,正交混頻所求得位相的鑒相精度在秒的數(shù)量級;利用仿真平臺對IIR和FIR的幾種典型濾波器進(jìn)行了對比分析,選取了FIR切比雪夫等波紋法設(shè)計的低通濾波器作為正交混頻中所使用的濾波器,并對濾波器的幅頻參數(shù)進(jìn)行了研究,使濾波器具有陡降的截止特性和線性相位特性;利用實驗平臺對實驗設(shè)備的真實鑒相信號實現(xiàn)了數(shù)字鑒相。最后,提出了位相對齊模塊的研究方案,并完成了位相對齊模塊的研究。方案中包括過采樣位相對齊模塊和插值再離散位相對齊模塊,其中,過采樣位相對齊模塊是對高采樣率采集獲得的激光回波脈沖串直接移動進(jìn)行位相對齊和時域積累,插值再離散位相對齊模塊是對滿足采樣定理的相對較低的采樣率獲得的激光回波脈沖串進(jìn)行插值,將激光回波信號變?yōu)檫B續(xù)信號,再將連續(xù)信號離散為離散信號后進(jìn)行位相對齊和時域積累。過采樣位相對齊模塊原理簡單,但是對A/D要求高,數(shù)據(jù)量比較大;而插值再離散位相對齊模塊可以減少采集的數(shù)據(jù)量,適合工程上使用。完成了插值函數(shù)對原始信號的擬合精度對相參積累性能影響的研究。通過所建立的仿真平臺,對比了sinc插值、Lagrange插值、三次樣條插值和切比雪夫函數(shù)四種不同的插值函數(shù)對單脈沖信號位相和頻譜造成的影響以及相參積累后的信號位相和頻譜造成的影響,最終選取了三次樣條作為插值函數(shù);通過所建立的實驗平臺分別完成了兩種位相對齊模塊對于真實信號的相參積累,對信號使用兩種位相對齊模塊進(jìn)行處理所得結(jié)果都與相參積累信噪比提高的理論值相符合,位相對齊模塊的對齊精度為2.88°;對比分析了兩種位相對齊模塊對相參積累后信號的信噪比提高的影響,其中插值再離散位相對齊模塊對信噪比的提高略低于過采樣位相對齊模塊。
【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】：P407
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本文編號：2641999