本文關(guān)鍵詞：基于差分光柱激光雷達(dá)的大氣湍流強(qiáng)度廓線探測(cè)方法研究

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【摘要】：折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)是表征大氣湍流強(qiáng)度的重要物理量,其隨高度的分布,即大氣湍流廓線,是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和校正性能中的關(guān)鍵要素,對(duì)于自由空間光通信的傳輸過程也非常重要。本文主要研究差分光柱像運(yùn)動(dòng)激光雷達(dá)的反演方法、降噪方法,同時(shí)提出了測(cè)量大氣湍流廓線的雙孔差分閃爍法,為差分光柱閃爍雷達(dá)的研制提供了理論依據(jù)。1.提出了基于廣義HV模型的差分光柱像運(yùn)動(dòng)激光雷達(dá)(DCIM雷達(dá))的大氣湍流強(qiáng)度廓線改進(jìn)反演方法。針對(duì)DCIM雷達(dá)現(xiàn)有Levenberg-Marquardt反演算法對(duì)高空湍流反演誤差大的問題,提出了帶不等式路徑約束的反演新模型,并采用懲罰函數(shù)法處理該模型,通過增加高空湍流信息量,避免了非物理意義的反演解;同時(shí)為了減弱現(xiàn)有算法對(duì)初值和先驗(yàn)知識(shí)的依賴,進(jìn)一步提出了基于遺傳算法的初值尋優(yōu)策略,能夠?qū)F(xiàn)有算法的初值定位在全局空間內(nèi)。利用改進(jìn)算法和現(xiàn)有算法數(shù)值仿真了典型的大氣湍流廓線,并對(duì)合肥地區(qū)實(shí)測(cè)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)算法增強(qiáng)了迭代過程的全局搜索能力,對(duì)測(cè)量誤差有較強(qiáng)的穩(wěn)健性,能夠有效提高反演精度和高空湍流的準(zhǔn)確性,同時(shí)也加快了收斂速度。2.提出了無(wú)先驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟罘止庵襁\(yùn)動(dòng)激光雷達(dá)兩級(jí)正則化反演方法。從DCIM雷達(dá)球面波大氣相干長(zhǎng)度r0與折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2的積分方程出發(fā),分析了該方程的不適定性和病態(tài)性,闡述了對(duì)方程進(jìn)行正則化求解的必要性。在兩級(jí)正則化反演方法中,第一級(jí)反演采用正則化的最小二乘QR分解(LSQR)方法獲得大氣湍流廓線的大體形狀,為了得到大氣湍流廓線Cn2(h)的穩(wěn)定解,在第二級(jí)反演過程中提出了自適應(yīng)選擇算法,利用該算法對(duì)第一級(jí)反演結(jié)果中的振蕩解進(jìn)行自適應(yīng)濾除。數(shù)值仿真和DCIM雷達(dá)實(shí)驗(yàn)表明,基于正則化的兩級(jí)反演方法是有效的,在誤差存在的情況下,仍能夠獲得0-15km高度范圍內(nèi)可靠的大氣湍流廓線反演結(jié)果。3.采用了奇異值分解(SVD)、小波閾值(WT)和完備總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(CEEMD)三種方法對(duì)DCIM雷達(dá)進(jìn)行去噪。為了提高大氣湍流廓線反演的精度,非常有必要在反演之前先對(duì)DCIM雷達(dá)測(cè)量的大氣相干長(zhǎng)度廓線進(jìn)行降噪處理。研究了三種降噪方法對(duì)原始大氣相干長(zhǎng)度廓線以及所反演的大氣湍流廓線的影響,比較了三種方法的降噪效果。研究結(jié)果表明,對(duì)于DCIM雷達(dá)系統(tǒng),三種降噪方法都能夠提高大氣相干長(zhǎng)度廓線的信噪比,降低大氣湍流廓線的反演誤差,在這三種方法中,小波暰值去噪能力最強(qiáng),而奇異值分解優(yōu)于完備總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解。4.提出了測(cè)量大氣湍流廓線的雙孔差分閃爍法,為差分光柱閃爍雷達(dá)的研制提供了理論依據(jù)。根據(jù)cross-path理論,推導(dǎo)出弱起伏條件下差分孔徑光強(qiáng)起伏結(jié)構(gòu)函數(shù)的精確表達(dá)式,以此為依據(jù),從理論上提出測(cè)量大氣湍流強(qiáng)度的雙孔差分閃爍法。在Kolmogorov湍流譜條件下,分析了信標(biāo)光直徑和信標(biāo)光高度對(duì)該方法中路徑權(quán)重函數(shù)的影響。在近地面開展了 2km路徑的水平光單程傳輸實(shí)驗(yàn),將雙孔差分閃爍法和單孔閃爍法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在不同的天氣條件和大氣湍流狀況下,兩種方法測(cè)量的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)具有高度的一致性;通過對(duì)折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)積分得到的球面波大氣相干長(zhǎng)度進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)兩者的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96;由此驗(yàn)證了雙孔差分閃爍法的可行性和有效性。該方法能夠分離出主動(dòng)信標(biāo)雙程傳輸?shù)暮笙蜷W爍信息,為主動(dòng)信標(biāo)準(zhǔn)確探測(cè)大氣湍流提供了一種新方法。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN958.98;O357.5

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