本文關(guān)鍵詞：1.55μm相干測風(fēng)激光雷達(dá)樣機(jī)的研制

  更多相關(guān)文章： 大氣遙感 相干測風(fēng)激光雷達(dá) 天線效率 載噪比 最大似然離散譜峰值 Monte Carlo仿真 并行計(jì)算 風(fēng)速反演

【摘要】：在區(qū)域大氣風(fēng)速的遙感中,脈沖相干測風(fēng)激光雷達(dá)能夠即使在晴空條件下實(shí)時(shí)有效地進(jìn)行大氣矢量風(fēng)場探測,并且具有高精度、高時(shí)空分辨率的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于測量大氣風(fēng)廓線、風(fēng)切變預(yù)警以及探測飛機(jī)尾流等,在天氣預(yù)報(bào)、風(fēng)能發(fā)電、航空航天、軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著摻鉺光纖放大器(EDFA)及光纖技術(shù)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(yīng),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(fēng)激光雷達(dá)由于結(jié)構(gòu)緊湊、工作波長人眼安全、裝配靈活和工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)受到學(xué)者的重視。 根據(jù)保障航空安全和提高風(fēng)力發(fā)電效率等應(yīng)用場所對大氣風(fēng)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(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。該激光雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為：(1)探測距離：3km；(2)距離分辨率：60m；(3)風(fēng)速測量精度：0.5m/s；(4)風(fēng)速測量范圍：±30m/s(5)時(shí)間分辨率：1s。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研制的激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。其中,實(shí)際的探測距離可以達(dá)到3.6km,優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。 針對在設(shè)計(jì)相干測風(fēng)激光雷達(dá)階段,直接計(jì)算激光雷達(dá)系統(tǒng)的載噪比時(shí)計(jì)算量大、計(jì)算積分復(fù)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(biāo))平面,簡化了計(jì)算。相干激光雷達(dá)系統(tǒng)的載噪比正比于天線效率,因此在設(shè)計(jì)相干激光雷達(dá)時(shí)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(dāng)望遠(yuǎn)鏡對發(fā)射光束的截?cái)啾葹?.823時(shí),系統(tǒng)的天線效率達(dá)到最大值0.422。在最優(yōu)截?cái)啾鹊臈l件下,分別計(jì)算了不同望遠(yuǎn)鏡口徑下載噪比隨距離變化的曲線。根據(jù)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)指標(biāo)和使用的激光脈沖參數(shù),確定擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡的放大倍率為14倍,口徑為64.3mm。 相干測風(fēng)激光雷達(dá)中一個(gè)核心的問題是從微弱的氣溶膠后向散射信號中估計(jì)出風(fēng)速�；诹憔祻�(fù)高斯隨機(jī)過程協(xié)方差矩陣統(tǒng)計(jì)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(fēng)速估計(jì)算法的克拉美—羅下界(CRLB)與由Fisher信息矩陣?yán)碚摰玫降木_CRLB之間的關(guān)系。其次,對于ML DSP估計(jì)應(yīng)用于相干測風(fēng)激光雷達(dá)中協(xié)方差矩陣統(tǒng)計(jì)模型的后向散射信號時(shí),使用計(jì)算機(jī)Monte Carlo仿真的方法研究了風(fēng)速估計(jì)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(fēng)速估計(jì)性能的影響。計(jì)算仿真結(jié)果表明：ML DSP風(fēng)速估計(jì)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(fēng)速估計(jì)中“壞”的估計(jì)值所占的比例都為0,“好”的估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.62m/s和0.50m/s。根據(jù)Monte Carlo仿真計(jì)算可以得出,使用1000發(fā)激光脈沖累積時(shí)該相干測風(fēng)激光雷達(dá)在3600m的探測距離范圍內(nèi)的探測概率為99.99%、風(fēng)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(gè)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(shí)驗(yàn)得到的載噪比與理論計(jì)算的載噪比基本吻合。在3600m的探測距離范圍內(nèi),理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的載噪比都高于-37dB,能夠保證使用ML DSP算法時(shí)風(fēng)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(biāo)對研制的測風(fēng)激光雷達(dá)的測量精度進(jìn)行了校準(zhǔn)。轉(zhuǎn)動圓盤的校準(zhǔn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)方差為0.48m/s。使用距離3.73km處靜止的大樓進(jìn)行校準(zhǔn)的結(jié)果為,探測概率為100%,測量精度為0.06m/s。 針對相干測風(fēng)激光雷達(dá)中風(fēng)速反演的數(shù)據(jù)量大、計(jì)算量大等問題,提出使用并行計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)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(gè)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(gè)內(nèi)核處理。在10000發(fā)激光脈沖累積的條件下,實(shí)現(xiàn)了1s的時(shí)間分辨率,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速的實(shí)時(shí)連續(xù)觀測,并給出了使用PPI方式掃描的風(fēng)速測量結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：大氣遙感 相干測風(fēng)激光雷達(dá) 天線效率 載噪比 最大似然離散譜峰值 Monte Carlo仿真 并行計(jì)算 風(fēng)速反演
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(fēng)切變對航空安全的危害21-23
• 1.1.3 飛機(jī)尾流對航空安全的危害23-26
• 1.1.4 提高風(fēng)能資源的利用效率26-28
• 1.2 大氣風(fēng)場的探測手段28
• 1.3 相干測風(fēng)激光雷達(dá)文獻(xiàn)綜述28-50
• 1.3.1 國外相干測風(fēng)激光雷達(dá)綜述28-46
• 1.3.2 國內(nèi)相干測風(fēng)激光雷達(dá)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(fēng)激光雷達(dá)原理53-73
• 2.1 脈沖相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)53-56
• 2.1.1 激光的多普勒效應(yīng)53-54
• 2.1.2 激光雷達(dá)的系統(tǒng)組成54
• 2.1.3 激光雷達(dá)方程54-56
• 2.2 相干激光雷達(dá)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(jì)算載噪比62-66
• 2.3 天線效率的計(jì)算66-70
• 2.3.1 高斯光束在目標(biāo)平面的電場矢量67-68
• 2.3.2 均勻光束在目標(biāo)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(jié)71-73
• 第3章 風(fēng)速反演算法研究及仿真73-91
• 3.1 多普勒信號的數(shù)學(xué)模型73-74
• 3.2 估計(jì)風(fēng)速的概率密度函數(shù)74-75
• 3.3 常用的風(fēng)速估計(jì)算法75-80
• 3.3.1 脈沖對技術(shù)75
• 3.3.2 最大似然估計(jì)(ML)算法75-78
• 3.3.3 周期圖最大似然估計(jì)(PML)算法78-80
• 3.4 最大似然離散譜峰值估計(jì)(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(fēng)速的反演81-82
• 3.4.3 MLDSP估計(jì)功率譜的概率密度函數(shù)82-83
• 3.4.4 MLDSP估計(jì)的CRLB83-85
• 3.4.5 MLDSP估計(jì)的CRLB與精確CRLB的比較85-86
• 3.5 MLDSP估計(jì)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(fēng)速估計(jì)算法小結(jié)89-90
• 3.6 小結(jié)90-91
• 第4章 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化91-129
• 4.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)91
• 4.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求分析91-95
• 4.2.1 距離分辨率91
• 4.2.2 風(fēng)速測量精度91-92
• 4.2.3 探測距離92-95
• 4.2.4 風(fēng)速測量范圍95
• 4.2.5 時(shí)間分辨率95
• 4.3 詳細(xì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)95-118
• 4.3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(kuò)束望遠(yuǎn)鏡103-105
• 4.3.6 耦合透鏡105-107
• 4.3.7 光學(xué)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(jī)117
• 4.3.13 信號發(fā)生器117-118
• 4.4 儀器關(guān)鍵參數(shù)的檢測118-127
• 4.4.1 光纖激光器118-123
• 4.4.2 光學(xué)器件123-127
• 4.5 小結(jié)127-129
• 第5章 信號采集與風(fēng)速觀測129-159
• 5.1 相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)序131-132
• 5.2.3 高速模/樓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)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(jié)146-147
• 5.4 實(shí)時(shí)風(fēng)速觀測的實(shí)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(fēng)速反演算法在DSPC-8681上的并行實(shí)現(xiàn)149-152
• 5.4.3 風(fēng)速的實(shí)時(shí)觀測152-154
• 5.4.4 平面位置指示器(PPI)掃描154-158
• 5.5 小結(jié)158-159
• 第6章 總結(jié)與展望159-163
• 6.1 本文主要工作總結(jié)159-161
• 6.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)161-162
• 6.3 未來展望162-163
• 參考文獻(xiàn)163-173
• 致謝173-175
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果175

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 許東松;劉星宇;王立新;;變化風(fēng)場對艦載飛機(jī)著艦安全性影響[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2010年01期

2 周小林;孫東松;鐘志慶;王邦新;夏海云;董晶晶;沈法華;劉東;;多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)研究進(jìn)展[J];大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào);2007年03期

3 李冬梅;鄭永超;潘靜巖;謝亞峰;董光焰;;相干多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)研究[J];光學(xué)技術(shù);2010年06期

4 竹孝鵬;劉繼橋;畢德倉;周軍;刁偉峰;陳衛(wèi)標(biāo);;Development of all-solid coherent Doppler wind lidar[J];Chinese Optics Letters;2012年01期

5 刁偉峰;張鑫;劉繼橋;竹孝鵬;劉源;畢_巢，

本文編號：1090396