本文關鍵詞：1.55μm相干測風激光雷達樣機的研制

  更多相關文章： 大氣遙感 相干測風激光雷達 天線效率 載噪比 最大似然離散譜峰值 Monte Carlo仿真 并行計算 風速反演

【摘要】：在區(qū)域大氣風速的遙感中,脈沖相干測風激光雷達能夠即使在晴空條件下實時有效地進行大氣矢量風場探測,并且具有高精度、高時空分辨率的特點,廣泛應用于測量大氣風廓線、風切變預警以及探測飛機尾流等,在天氣預報、風能發(fā)電、航空航天、軍事等領域有著重要的應用價值。隨著摻鉺光纖放大器(EDFA)及光纖技術的發(fā)展,以及在EDFA中使用大模場(LMA)光纖以避免光纖中的受激布里淵散射(SBS)等非線性效應,EDFA輸出的激光脈沖能量和平均功率逐步得到提高,基于1.55gm光纖激光器的相干測風激光雷達由于結構緊湊、工作波長人眼安全、裝配靈活和工作穩(wěn)定等優(yōu)點受到學者的重視。 根據(jù)保障航空安全和提高風力發(fā)電效率等應用場所對大氣風場探測的需求,研制了一套基于1.55gm光纖激光器的相干測風激光雷達系統(tǒng)。該激光雷達系統(tǒng)的技術指標為：(1)探測距離：3km；(2)距離分辨率：60m；(3)風速測量精度：0.5m/s；(4)風速測量范圍：±30m/s(5)時間分辨率：1s。經(jīng)過實驗驗證,研制的激光雷達系統(tǒng)的性能參數(shù)滿足設計指標。其中,實際的探測距離可以達到3.6km,優(yōu)于設計指標。 針對在設計相干測風激光雷達階段,直接計算激光雷達系統(tǒng)的載噪比時計算量大、計算積分復雜的問題,使用了后向傳播本振(BPLO)的原理即把本振光按照氣溶膠粒子后向散射的路徑反向傳播到氣溶膠(即目標)平面,簡化了計算。相干激光雷達系統(tǒng)的載噪比正比于天線效率,因此在設計相干激光雷達時要求使天線效率最大化。在發(fā)射光束為高斯光束及后向傳播本振為均勻光束的條件下,當望遠鏡對發(fā)射光束的截斷比為0.823時,系統(tǒng)的天線效率達到最大值0.422。在最優(yōu)截斷比的條件下,分別計算了不同望遠鏡口徑下載噪比隨距離變化的曲線。根據(jù)激光雷達的設計指標和使用的激光脈沖參數(shù),確定擴束望遠鏡的放大倍率為14倍,口徑為64.3mm。 相干測風激光雷達中一個核心的問題是從微弱的氣溶膠后向散射信號中估計出風速�；诹憔祻透咚闺S機過程協(xié)方差矩陣統(tǒng)計模型的后向散射信號,首先討論了最大似然(ML)離散譜峰值(DSP)風速估計算法的克拉美—羅下界(CRLB)與由Fisher信息矩陣理論得到的精確CRLB之間的關系。其次,對于ML DSP估計應用于相干測風激光雷達中協(xié)方差矩陣統(tǒng)計模型的后向散射信號時,使用計算機Monte Carlo仿真的方法研究了風速估計的概率密度函數(shù)。分別討論了信噪比、激光脈沖累積發(fā)數(shù)和發(fā)射激光脈沖寬度對ML DSP風速估計性能的影響。計算仿真結果表明：ML DSP風速估計的CRLB低于精確的CRLB;在信噪比為-20dB、100發(fā)激光脈沖累積和信噪比為-30dB、10000發(fā)激光脈沖累積條件下,ML DSP風速估計中“壞”的估計值所占的比例都為0,“好”的估計值的標準差分別為0.62m/s和0.50m/s。根據(jù)Monte Carlo仿真計算可以得出,使用1000發(fā)激光脈沖累積時該相干測風激光雷達在3600m的探測距離范圍內(nèi)的探測概率為99.99%、風速的測量精度為0.22m/s。 使用Visual Studio C++6.0集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)了具有友好工作界面的圖形用戶界面(GUI)程序,給出了在距離分辨率為60m、激光脈沖累積發(fā)數(shù)分別為1000、3000、5000和10000發(fā)條件下單個距離門內(nèi)氣溶膠粒子的后向散射信號的頻譜。從頻譜中提取了多普勒頻移、譜寬和載噪比等信息。在300m和2700m的探測距離內(nèi),實驗得到的載噪比與理論計算的載噪比基本吻合。在3600m的探測距離范圍內(nèi),理論計算和實驗得到的載噪比都高于-37dB,能夠保證使用ML DSP算法時風速反演精度的CRLB優(yōu)于0.1m/s。分別使用了轉(zhuǎn)動圓盤和靜止的硬目標對研制的測風激光雷達的測量精度進行了校準。轉(zhuǎn)動圓盤的校準結果為,直線擬合的可決系數(shù)為0.999,斜率為1.002,速度測量的標準方差為0.48m/s。使用距離3.73km處靜止的大樓進行校準的結果為,探測概率為100%,測量精度為0.06m/s。 針對相干測風激光雷達中風速反演的數(shù)據(jù)量大、計算量大等問題,提出使用并行計算的方法實現(xiàn)風速反演算法。為此本文采取的方案為,利用板載4顆數(shù)字信號處理器(DSP)、每顆處理器內(nèi)有8個內(nèi)核的數(shù)字信號處理板卡,采用單指令多數(shù)據(jù)的方法把數(shù)據(jù)分配給各個內(nèi)核處理。在10000發(fā)激光脈沖累積的條件下,實現(xiàn)了1s的時間分辨率,實現(xiàn)了風速的實時連續(xù)觀測,并給出了使用PPI方式掃描的風速測量結果。
【關鍵詞】：大氣遙感 相干測風激光雷達 天線效率 載噪比 最大似然離散譜峰值 Monte Carlo仿真 并行計算 風速反演
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN958.98
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目錄10-14
• 圖目錄14-18
• 表目錄18-19
• 第1章 緒論19-53
• 1.1 選題的背景和意義19-28
• 1.1.1 大氣湍流對航空安全的危害19-21
• 1.1.2 風切變對航空安全的危害21-23
• 1.1.3 飛機尾流對航空安全的危害23-26
• 1.1.4 提高風能資源的利用效率26-28
• 1.2 大氣風場的探測手段28
• 1.3 相干測風激光雷達文獻綜述28-50
• 1.3.1 國外相干測風激光雷達綜述28-46
• 1.3.2 國內(nèi)相干測風激光雷達綜述46-50
• 1.4 本論文的主要研究內(nèi)容50-53
• 第2章 脈沖相干測風激光雷達原理53-73
• 2.1 脈沖相干測風激光雷達系統(tǒng)53-56
• 2.1.1 激光的多普勒效應53-54
• 2.1.2 激光雷達的系統(tǒng)組成54
• 2.1.3 激光雷達方程54-56
• 2.2 相干激光雷達的載噪比56-66
• 2.2.1 相干探測的信號描述56-58
• 2.2.2 外差信號功率58-59
• 2.2.3 外差效率59
• 2.2.4 本振光對外差信號的放大作用59-60
• 2.2.5 噪聲功率60-61
• 2.2.6 載噪比61-62
• 2.2.7 利用后向傳播本振計算載噪比62-66
• 2.3 天線效率的計算66-70
• 2.3.1 高斯光束在目標平面的電場矢量67-68
• 2.3.2 均勻光束在目標平面的電場矢量68-69
• 2.3.3 基于BPLO的天線效率69-70
• 2.4 基于BPLO的載噪比70-71
• 2.5 小結71-73
• 第3章 風速反演算法研究及仿真73-91
• 3.1 多普勒信號的數(shù)學模型73-74
• 3.2 估計風速的概率密度函數(shù)74-75
• 3.3 常用的風速估計算法75-80
• 3.3.1 脈沖對技術75
• 3.3.2 最大似然估計(ML)算法75-78
• 3.3.3 周期圖最大似然估計(PML)算法78-80
• 3.4 最大似然離散譜峰值估計(MLDSP)80-86
• 3.4.1 多普勒信號的功率譜分布函數(shù)80-81
• 3.4.2 風速的反演81-82
• 3.4.3 MLDSP估計功率譜的概率密度函數(shù)82-83
• 3.4.4 MLDSP估計的CRLB83-85
• 3.4.5 MLDSP估計的CRLB與精確CRLB的比較85-86
• 3.5 MLDSP估計概率密度的Monte Carlo仿真86-90
• 3.5.1 信噪比的影響87-88
• 3.5.2 脈沖累積發(fā)數(shù)的影響88
• 3.5.3 發(fā)射激光脈沖寬度的影響88-89
• 3.5.4 MLDSP風速估計算法小結89-90
• 3.6 小結90-91
• 第4章 系統(tǒng)參數(shù)設計與優(yōu)化91-129
• 4.1 系統(tǒng)的設計指標91
• 4.2 系統(tǒng)的設計需求分析91-95
• 4.2.1 距離分辨率91
• 4.2.2 風速測量精度91-92
• 4.2.3 探測距離92-95
• 4.2.4 風速測量范圍95
• 4.2.5 時間分辨率95
• 4.3 詳細系統(tǒng)設計95-118
• 4.3.1 系統(tǒng)結構96-97
• 4.3.2 光纖激光器97-100
• 4.3.3 偏振分束器100-102
• 4.3.4 λ/4波片102-103
• 4.3.5 擴束望遠鏡103-105
• 4.3.6 耦合透鏡105-107
• 4.3.7 光學部件的集成107-109
• 4.3.8 保偏光纖耦合/分束器109
• 4.3.9 平衡光電探測器109-113
• 4.3.10 高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡113-114
• 4.3.11 高速數(shù)據(jù)處理卡114-117
• 4.3.12 工控機117
• 4.3.13 信號發(fā)生器117-118
• 4.4 儀器關鍵參數(shù)的檢測118-127
• 4.4.1 光纖激光器118-123
• 4.4.2 光學器件123-127
• 4.5 小結127-129
• 第5章 信號采集與風速觀測129-159
• 5.1 相干測風激光雷達系統(tǒng)實驗平臺129-130
• 5.2 氣溶膠粒子回波信號的采集130-143
• 5.2.1 系統(tǒng)中的信號130-131
• 5.2.2 數(shù)據(jù)采集的時序131-132
• 5.2.3 高速模/樓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡的設置132-133
• 5.2.4 數(shù)據(jù)的采集133-135
• 5.2.5 氣溶膠粒子的后向散射信號頻譜135-139
• 5.2.6 回波信號頻譜的分析139-141
• 5.2.7 系統(tǒng)的信噪比141-142
• 5.2.8 激光脈沖累積對噪聲的抑制142-143
• 5.3 探測性能分析143-147
• 5.3.1 探測距離143-145
• 5.3.2 測量精度145-146
• 5.3.3 信號采集小結146-147
• 5.4 實時風速觀測的實現(xiàn)147-158
• 5.4.1 高速數(shù)據(jù)處理板卡及開發(fā)環(huán)境的搭建147-149
• 5.4.2 風速反演算法在DSPC-8681上的并行實現(xiàn)149-152
• 5.4.3 風速的實時觀測152-154
• 5.4.4 平面位置指示器(PPI)掃描154-158
• 5.5 小結158-159
• 第6章 總結與展望159-163
• 6.1 本文主要工作總結159-161
• 6.2 本文的創(chuàng)新點161-162
• 6.3 未來展望162-163
• 參考文獻163-173
• 致謝173-175
• 在讀期間發(fā)表的學術論文與取得的研究成果175

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：1090396