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1.55μm相干测风激光雷达样机的研制

贾晓东  
【摘要】:在区域大气风速的遥感中,脉冲相干测风激光雷达能够即使在晴空条件下实时有效地进行大气矢量风场探测,并且具有高精度、高时空分辨率的特点,广泛应用于测量大气风廓线、风切变预警以及探测飞机尾流等,在天气预报、风能发电、航空航天、军事等领域有着重要的应用价值。随着掺铒光纤放大器(EDFA)及光纤技术的发展,以及在EDFA中使用大模场(LMA)光纤以避免光纤中的受激布里渊散射(SBS)等非线性效应,EDFA输出的激光脉冲能量和平均功率逐步得到提高,基于1.55gm光纤激光器的相干测风激光雷达由于结构紧凑、工作波长人眼安全、装配灵活和工作稳定等优点受到学者的重视。 根据保障航空安全和提高风力发电效率等应用场所对大气风场探测的需求,研制了一套基于1.55gm光纤激光器的相干测风激光雷达系统。该激光雷达系统的技术指标为:(1)探测距离:3km;(2)距离分辨率:60m;(3)风速测量精度:0.5m/s;(4)风速测量范围:±30m/s(5)时间分辨率:1s。经过实验验证,研制的激光雷达系统的性能参数满足设计指标。其中,实际的探测距离可以达到3.6km,优于设计指标。 针对在设计相干测风激光雷达阶段,直接计算激光雷达系统的载噪比时计算量大、计算积分复杂的问题,使用了后向传播本振(BPLO)的原理即把本振光按照气溶胶粒子后向散射的路径反向传播到气溶胶(即目标)平面,简化了计算。相干激光雷达系统的载噪比正比于天线效率,因此在设计相干激光雷达时要求使天线效率最大化。在发射光束为高斯光束及后向传播本振为均匀光束的条件下,当望远镜对发射光束的截断比为0.823时,系统的天线效率达到最大值0.422。在最优截断比的条件下,分别计算了不同望远镜口径下载噪比随距离变化的曲线。根据激光雷达的设计指标和使用的激光脉冲参数,确定扩束望远镜的放大倍率为14倍,口径为64.3mm。 相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速。基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然(ML)离散谱峰值(DSP)风速估计算法的克拉美—罗下界(CRLB)与由Fisher信息矩阵理论得到的精确CRLB之间的关系。其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数。分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响。计算仿真结果表明:ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为-20dB、100发激光脉冲累积和信噪比为-30dB、10000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中“坏”的估计值所占的比例都为0,“好”的估计值的标准差分别为0.62m/s和0.50m/s。根据Monte Carlo仿真计算可以得出,使用1000发激光脉冲累积时该相干测风激光雷达在3600m的探测距离范围内的探测概率为99.99%、风速的测量精度为0.22m/s。 使用Visual Studio C++6.0集成开发环境开发了具有友好工作界面的图形用户界面(GUI)程序,给出了在距离分辨率为60m、激光脉冲累积发数分别为1000、3000、5000和10000发条件下单个距离门内气溶胶粒子的后向散射信号的频谱。从频谱中提取了多普勒频移、谱宽和载噪比等信息。在300m和2700m的探测距离内,实验得到的载噪比与理论计算的载噪比基本吻合。在3600m的探测距离范围内,理论计算和实验得到的载噪比都高于-37dB,能够保证使用ML DSP算法时风速反演精度的CRLB优于0.1m/s。分别使用了转动圆盘和静止的硬目标对研制的测风激光雷达的测量精度进行了校准。转动圆盘的校准结果为,直线拟合的可决系数为0.999,斜率为1.002,速度测量的标准方差为0.48m/s。使用距离3.73km处静止的大楼进行校准的结果为,探测概率为100%,测量精度为0.06m/s。 针对相干测风激光雷达中风速反演的数据量大、计算量大等问题,提出使用并行计算的方法实现风速反演算法。为此本文采取的方案为,利用板载4颗数字信号处理器(DSP)、每颗处理器内有8个内核的数字信号处理板卡,采用单指令多数据的方法把数据分配给各个内核处理。在10000发激光脉冲累积的条件下,实现了1s的时间分辨率,实现了风速的实时连续观测,并给出了使用PPI方式扫描的风速测量结果。


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