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《中国科学技术大学》 2017年
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基于差分光柱激光雷达的大气湍流强度廓线探测方法研究

程知  
【摘要】:折射率结构常数是表征大气湍流强度的重要物理量,其随高度的分布,即大气湍流廓线,是自适应光学系统的设计、优化和校正性能中的关键要素,对于自由空间光通信的传输过程也非常重要。本文主要研究差分光柱像运动激光雷达的反演方法、降噪方法,同时提出了测量大气湍流廓线的双孔差分闪烁法,为差分光柱闪烁雷达的研制提供了理论依据。1.提出了基于广义HV模型的差分光柱像运动激光雷达(DCIM雷达)的大气湍流强度廓线改进反演方法。针对DCIM雷达现有Levenberg-Marquardt反演算法对高空湍流反演误差大的问题,提出了带不等式路径约束的反演新模型,并采用惩罚函数法处理该模型,通过增加高空湍流信息量,避免了非物理意义的反演解;同时为了减弱现有算法对初值和先验知识的依赖,进一步提出了基于遗传算法的初值寻优策略,能够将现有算法的初值定位在全局空间内。利用改进算法和现有算法数值仿真了典型的大气湍流廓线,并对合肥地区实测激光雷达数据进行了分析。数值仿真和实验结果表明改进算法增强了迭代过程的全局搜索能力,对测量误差有较强的稳健性,能够有效提高反演精度和高空湍流的准确性,同时也加快了收敛速度。2.提出了无先验模型的差分光柱像运动激光雷达两级正则化反演方法。从DCIM雷达球面波大气相干长度r0与折射率结构常数Cn2的积分方程出发,分析了该方程的不适定性和病态性,阐述了对方程进行正则化求解的必要性。在两级正则化反演方法中,第一级反演采用正则化的最小二乘QR分解(LSQR)方法获得大气湍流廓线的大体形状,为了得到大气湍流廓线Cn2(h)的稳定解,在第二级反演过程中提出了自适应选择算法,利用该算法对第一级反演结果中的振荡解进行自适应滤除。数值仿真和DCIM雷达实验表明,基于正则化的两级反演方法是有效的,在误差存在的情况下,仍能够获得0-15km高度范围内可靠的大气湍流廓线反演结果。3.采用了奇异值分解(SVD)、小波阈值(WT)和完备总体经验模态分解(CEEMD)三种方法对DCIM雷达进行去噪。为了提高大气湍流廓线反演的精度,非常有必要在反演之前先对DCIM雷达测量的大气相干长度廓线进行降噪处理。研究了三种降噪方法对原始大气相干长度廓线以及所反演的大气湍流廓线的影响,比较了三种方法的降噪效果。研究结果表明,对于DCIM雷达系统,三种降噪方法都能够提高大气相干长度廓线的信噪比,降低大气湍流廓线的反演误差,在这三种方法中,小波閾值去噪能力最强,而奇异值分解优于完备总体经验模态分解。4.提出了测量大气湍流廓线的双孔差分闪烁法,为差分光柱闪烁雷达的研制提供了理论依据。根据cross-path理论,推导出弱起伏条件下差分孔径光强起伏结构函数的精确表达式,以此为依据,从理论上提出测量大气湍流强度的双孔差分闪烁法。在Kolmogorov湍流谱条件下,分析了信标光直径和信标光高度对该方法中路径权重函数的影响。在近地面开展了 2km路径的水平光单程传输实验,将双孔差分闪烁法和单孔闪烁法的测量结果进行了对比。实验结果表明:在不同的天气条件和大气湍流状况下,两种方法测量的折射率结构常数具有高度的一致性;通过对折射率结构常数积分得到的球面波大气相干长度进行相关性分析,发现两者的线性相关系数达0.96;由此验证了双孔差分闪烁法的可行性和有效性。该方法能够分离出主动信标双程传输的后向闪烁信息,为主动信标准确探测大气湍流提供了一种新方法。
【关键词】:大气湍流廓线 反演 去噪 激光雷达 正则化
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN958.98;O357.5
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-13
  • 第1章 绪论13-18
  • 1.1 大气湍流廓线研究背景13
  • 1.2 大气湍流廓线测量国内外研究现状13-16
  • 1.3 本文的研究内容和结构安排16-18
  • 第2章 大气湍流模型及湍流廓线测量方法18-37
  • 2.1 常用大气湍流模型18-25
  • 2.1.1 HV模型及其广义形式18-19
  • 2.1.2 ModHV模型19-20
  • 2.1.3 Greenwood模型20-21
  • 2.1.4 其它湍流模型21-25
  • 2.2 大气湍流廓线测量方法25-29
  • 2.2.1 探空法25
  • 2.2.2 恒星为光源的被动测量法25-29
  • 2.2.3 激光雷达法29
  • 2.3 湍流激光雷达简述29-36
  • 2.3.1 DIM雷达29-31
  • 2.3.2 DCIM雷达31-34
  • 2.3.3 Cross-Path雷达34-36
  • 2.4 本章小结36-37
  • 第3章 改进的广义HV模型湍流廓线反演方法37-47
  • 3.1 模型参数反演原理37-38
  • 3.2 改进反演方法38-41
  • 3.2.1 带不等式路径约束的反演模型39
  • 3.2.2 初值寻优的遗传算法39-40
  • 3.2.3 改进算法流程40-41
  • 3.3 数值仿真41-44
  • 3.3.1 反演精度41-42
  • 3.3.2 算法稳健性42-43
  • 3.3.3 平均收敛时间43-44
  • 3.4 实验验证44-45
  • 3.5 本章小结45-47
  • 第4章 无先验模型差分光柱像运动激光雷达反演方法47-63
  • 4.1 正演理论47-48
  • 4.2 Tikhonov正则化48-49
  • 4.3 基于正则化方法的两级反演算法49-51
  • 4.3.1 数据预处理49
  • 4.3.2 正则化LSQR算法49-50
  • 4.3.3 自适应选择算法50-51
  • 4.4 数值仿真51-58
  • 4.5 实验验证58-61
  • 4.6 本章小结61-63
  • 第5章 差分光柱像运动激光雷达r_0廓线降噪方法63-89
  • 5.1 奇异值分解降噪63-71
  • 5.1.1 奇异值分解降噪原理63-65
  • 5.1.2 数值仿真65-69
  • 5.1.3 实验验证69-71
  • 5.2 小波去噪与CEEMD去噪的比较71-83
  • 5.2.1 去噪方法71-74
  • 5.2.3 数值仿真74-80
  • 5.2.4 实验验证80-83
  • 5.3 三种方法综合比较83-86
  • 5.4 分析讨论86-87
  • 5.5 本章小结87-89
  • 第6章 差分光柱闪烁雷达探测湍流廓线的初步研究89-97
  • 6.1 双孔差分闪烁法的理论推导89-92
  • 6.2 双孔差分闪烁法的路径权重函数分析92-94
  • 6.3 双孔差分闪烁法的水平实验验证94-95
  • 6.4 本章小结95-97
  • 第7章 总结及展望97-100
  • 7.1 本文的主要贡献以及创新点97-98
  • 7.2 进一步的研究工作展望98-100
  • 参考文献100-107
  • 致谢107-108
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果108

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