联合时频分析在相干测风激光雷达中的应用

相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点,已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号,对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果,自适应最优核时频分布具有运算量小,交叉项抑制效果好,时频聚集度高等优点。最后,使用1.5m相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测,将自适应最优核时频分布应用于实测数据,与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明:自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息,3 km内距离分辨率为1.2 m,3 km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性,时间分辨率为1 s时其最远水平探测范围约在6 km。     

不同脉冲编码调制的BOTDA系统性能分析与比较

研究了基于脉冲编码调制的布里渊光时域分析(BOTDA)系统原理,该系统向传感光纤注入经脉冲编码调制后的光脉冲序列,在接收端用数据处理程序恢复系统的单脉冲响应,从而提高BOTDA系统的信噪比、温度和应变分辨率.理论研究了BOTDA系统中Simplex码、Golay码和CCPONS码的编码和解码原理;利用Matlab仿真研究了不同脉冲编码调制的BOTDA系统的时域输出信号,并对比分析了三种编码对系统信噪比的改善情况,结果表明采用脉冲编码技术可使BOTDA系统性能得到有效提升,CCPONS码调制时可获得最佳系统性能,Simplex码次之.     

调频连续波相干激光雷达的多脉冲频域相干累积研究

针对相干激光雷达在低空、远距离、高动态目标探测等应用场景中存在的弱信号探测问题,基于调频连续波相干激光雷达,采用多脉冲频域相干累积方法提高激光雷达弱回波信号的信噪比。结合调频连续波理论,分析了信号幅度起伏和相位起伏对多脉冲频域相干累积信噪比效果的影响,实验结果表明,经过M脉冲周期的频域相干累积,微弱回波信号对数信噪比可提升10lg M dB,并且信号幅度起伏、相位起伏可导致多脉冲相干累积信噪比低于理想相干累积信噪比,对于均值分别为2.25×10^-4、1.65×10^-4和相对起伏幅度分别为0.69、0.93的回波信号而言,相位补偿后的回波信号在50脉冲周期内相干累积信噪比的误差因子最大为0.57%、0.3%,该多脉冲频域相干累积方法对相干激光雷达在远距离目标探测、微弱信号接收方面的应用具有重要意义。     

直接探测激光雷达模型及其性能模拟

讨论了决定直接探测激光雷达性能的信噪比方程和探测概率。开发了基于Monte Carlo方法的激光雷达回波信号模拟软件,给出了典型小脉冲激光雷达性能的模拟结果,表明:在能见度为5km的大气条件下,采用1mJ激光脉冲能量探测距离可达到5km。     

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。     

相干测风激光雷达微弱信号的频率估计

相干测风激光雷达通过探测大气气溶胶的多普勒频移信息获取风速信息。其回波信号为微弱信号,微弱信号中频率提取属于频率估计范畴。经补零处理后的快速傅里叶变换算法（补零FFT算法）应用于相干测风激光雷达频率估计,具有算法简单,运算速度快,稳定性高等优点。与常用的频率估计算法脉冲对算法（PP算法）和改善型脉冲对算法进行比较,验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达微弱信号频率估计方面的明显优势。通过仿真软件MATLAB仿真非相参积累脉冲3 000次的前提下检测微弱信号（距离门宽度为128采样点）信噪比可达-26.6 dB。最后,通过风场试验获取实测风速数据,验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达中应用的优越性。     

差分吸收激光雷达探测大气CO_2精度分析

为减小距离差分吸收激光雷达探测大气CO2浓度的探测误差,理论分析了探测精度,对差分吸收探测系统误差进行了数值分析,对基于1.6 μm光纤激光器相干探测CO2系统进行了仿真计算.结果表明:差分吸收截面越大,空间分辨率越低,回波信噪比越高,气体浓度的探测误差越小.当大气CO2的差分吸收光学厚度т为0.55时,相干探测系统具有最小误差变化百分比,此时探测精度最高.随着探测高度增大, 1.6 μm光纤激光相干探测系统精度逐渐降低,在1 km高度以内可以探测到34 ppm的大气CO2变化.     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。     

瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算

设计了一台探测大气温度和气溶胶的瑞利-米散射激光雷达。对不同参数的大气后向散射回波信号信噪比进行了数值仿真计算,讨论了激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜口径、空间分辨距离以及窄带干涉滤光片的带宽和透过率对激光雷达回波信号信噪比的影响。根据仿真结果,设计的激光雷达在白天时,气溶胶的米散射信号采用1 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了10.6 km;中层大气温度的瑞利散射信号采用0.2 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了47.1 km。     

强度编码合成孔径激光雷达原理与实验

合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广,相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。由于传统线性调频模式受制于调频速率和非线性等因素,无法应用于高速运动平台。从合成孔径激光雷达原理出发,结合光通信调制手段,详细推导了强度编码合成孔径激光雷达编码压缩原理公式,并仿真验证了M序列应用于强度编码的压缩性能。通过对模糊函数推导与仿真,证明强度编码信号不存在多值性模糊和互耦合误差。搭建了基于光纤的强度编码距离向分辨率验证实验系统,选取长度1 023、码元宽度5 ns的M序列进行强度编码调制,利用2 000 m延时光纤进行了距离向验证。在考虑载波光幅值抖动的情况下,得到了0.787 5 m的距离向分辨率,精度误差5%。该文从理论与实验两方面证明强度编码合成孔径激光雷达的可行性,为工程实现提供了一定实践支撑。     

目标特性对机载激光雷达接收带宽影响的数值仿真

为了提高激光雷达的接收灵敏度,分析了其照射到目标上的激光功率的时空分布特性,对不同时刻返回的激光回波功率进行积分求和,数值计算出激光回波脉冲信号波形,并在系统分析非相干探测激光雷达系统噪声特性的基础上,仿真分析了地面大目标对激光回波脉冲的展宽效应及其对接收带宽的影响.仿真结果表明:根据激光回波脉冲的展宽特性在信号频谱与噪声频谱上的差异,采用最佳接收带宽法可以有效地抑制背景噪声,大幅度地提高激光雷达的信噪比,实现激光雷达以较小的发射功率获得较大的探测距离的目的.     

基于线型预测频谱估计的相干激光雷达功率谱分析方法EI北大核心CSCD

基于多普勒效应的相干激光雷达广泛应用于测风等大气探测领域,实际应用于风场观测时,由于噪声杂波干扰、回波信号较弱和风场不均匀性等影响了多普勒频移估计的精度。为准确估计激光雷达弱回波信号中的多普勒频移,提升相干测风激光雷达的探测距离和探测精度,文中开展了基于激光雷达功率谱信号的多普勒频移估计算法以及探测性能提升的评估研究。在快速傅里叶变换的基础上,提出了一种结合线性预测频谱估计与导数增强方法的功率谱分析方法,通过与常用的最大似然离散谱峰值频移估计算法(ML DSP算法)进行比较,验证了文中方法在相干测风激光雷达微弱信号频移估计过程中的优势。风速数据的时间及空间相关性分析结果表明,功率谱分析方法具有更好的风速估计稳定性,有效风场探测距离相较ML DSP算法提升了73%。与超声风速计对比结果表明,文中提出的综合算法在弱信号情况下的风速测量精度高,风速结果与超声风速计的标准偏差相较ML DSP算法降低了0.23 m/s,偏离率BIAS降低了0.3 m/s,有效提高了低信噪比范围内多普勒频移估计的精度。     

星载激光雷达探测能力的数值模拟分析

为了研究星载大气探测激光雷达的技术参量对其探测性能的影响,采用合适的大气模式和星载大气探测激光雷达设计参量,对其接收的大气后向散射回波信号和探测回波信号的信噪比进行了数值模拟计算;同时模拟分析了星载大气探测激光雷达对沙尘和卷云的探测能力。结果表明,星载大气探测激光雷达对气溶胶的探测水平分辨率应设置为75km,且仅夜晚的探测能力能够达到信噪比大于10的要求;对卷云和沙尘探测水平分辨率应设为7.5km。该结果为该星载大气探测激光雷达的研制提供参量设置的基本依据。     

大气CO_2相干探测激光雷达系统性能分析

探测大气CO2浓度对气候环境的研究具有重要意义.采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比.目前1.5 μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5 μm可能成为未来探测大气分子或气溶胶激光雷达的主流波长.阐述了激光雷达相干探测大气CO2的原理,设计了1.5 μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5 μm相干探测CO2是可行的,经过3 min的脉冲积累,在3 km处仍具有高于10的信噪比值.该激光雷达相干探测系统也可用于大气风场探测.     

基于合成孔径激光雷达的目标探测

为了研究合成孔径激光雷达在目标探测中的应用,从建立合成孔径激光雷达的信号传输及回波模型出发,理论分析了合成孔径激光雷达回波信噪比、探测距离、合成孔径时间和解线性调频处理4个方面的特点与优点,并与一般相干体制的激光雷达以及合成孔径雷达进行了对比。结果表明,合成孔径激光雷达比一般相干体制雷达具有更高的回波信噪比和更远的探测距离,且相对于合成孔径雷达具有更快的成像速度。这一结果有助于合成孔径激光雷达应用于远距离目标探测、跟踪与快速预警。     

用EDFA提高激光雷达的信噪比

提出了掺铒光纤放大器(EDFA)应用于激光雷达接收系统光学前置放大器以提高雷达探测性能和作用距离的方法.回波信号功率是影响雷达探测分辨率的因素,它随着探测距离的增大而减小.讨论了光电检测前放大回波信号的技术,结合激光雷达回波信号的特点对EFDA主要应用特性(增益特性、噪声特性)进行理论分析.建立了雷达信号传输模型,讨论了大气消光与大气湍流对回波信号的影响.将PIN-FET用作光电探测,给出了没有采用光放大和采用EDFA光学前置放大情况下的信噪比.数值模拟结果显示,将EDFA用作激光雷达接收机极大地提高了雷达系统的信噪比,探测距离越远探测性能的改善越明显.     

基于相位编码技术的超大功率超声收发系统研究

针对Golay互补序列相位编码信号在超声收发系统中的应用,给出了一种实现的方法,将Golay二相编码经过合理的调制通过超声换能器激发,对于回波信号采用正交解调技术还原相位编码信号,再通过匹配滤波压缩脉冲,得到高信噪比的成像信号。并用软件得到仿真的结果,结果表明,对于对系统帧率要求较低以及不存在检测对象位移的工业大功率超声系统,是一种理想的编码方式,超声收发系统当中Golay相位编码信号可得到较高的信噪比,普通单次发射相位编码信号的2倍。     

脉冲扫描成像激光雷达信号模拟器的研制

随着激光雷达技术的发展,对激光雷达信号模拟器提出了迫切的需求.文中首先分析了脉冲成像激光雷达的信号特点,以及各种模拟方法的优缺点,提出了采用数字与模拟相结合的方案来实现相干脉冲激光扫描成像雷达信号模拟器的研制.总体方案分为数字部分和模拟部分.数字部分通过软件建立仿真所需的目标,并根据MIT的统计噪声模型依据所要求的信噪比对仿真目标实时加噪,生成实时目标的强度像和距离像;模拟部分将此目标的强度像和距离像实时生成相干脉冲激光扫描成像雷达信号回波的时间序列,完成模拟回波信号的产生;最后,在激光成像雷达上进行了成像实验,初步验证了文中研制的激光雷达信号模拟器的可行性.     

应用Zoom FFT方法提高相干测风激光雷达频谱分辨率

脉冲相干测风激光雷达距离门内的回波具有中频高、频带宽、采样点稀疏等特点。采用传统的信号处理方法, 雷达频谱分辨率很难提高。在研究无线电雷达信号频谱细化技术的基础上, 采用Zoom FFT 频谱细化结合数字滤波器组的方法, 通过仿真研究验证了该方法对提高脉冲相干激光测风雷达的频谱分辨率具有良好效果。文章介绍了Zoom FFT 算法和数字滤波器组的原理,对模拟低频和高频信号进行了仿真,并且利用真实风场数据进行了验证,充分证明了该算法对于提高脉冲相干激光测风雷达的频谱分辨率的有效性。     

相干测风激光雷达中多核DSP并行风速反演算法的实现

针对高重复频率相干测风激光雷达中风速反演时数据量大、计算量大、实时性要求高等问题提出了基于多核数字信号处理器（DSP）的并行风速反演算法。该算法的核心思想是,利用高速数据处理板卡DSPC-8681上的4颗8核DSP处理器采用单指令多数据流的方式进行并行计算和同步,使用最大似然离散谱峰值计算出视向风速。在激光脉冲重复频率为10 kHz的条件下实现了相干测风激光雷达中实时的风速反演。通过实验验证,激光雷达的视向探测距离达到3 600 m,距离分辨率为60 m,风速测量范围为30 m/s,时间分辨率为1 s,转动圆盘校准的速度测量精度优于0.48 m/s。