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机场激光雷达风切变监测系统

杨茂胜  
【摘要】:风切变是一种风速和风向在水平或垂直方向突然变化的大气现象。机场风切变具有持续时间很短、风场尺度小强度大等特点,一直是现代航空运输和探测预警的一个难题。激光雷达作为机场常用大气及气象监测设备迫切需要能够进一步实现对风切变现象的快速、实时、准确地监测和预测。为降低现有激光雷达升级改造和新研风切变监测系统的先期研制成本,本文结合机场低空风切变的特点及其探测要求,以模块化的方式建立激光雷达风切变监测系统设计验证软件,通过复现雷达系统动态工作过程和仿真探测结果,以分析激光雷达性能指标和风场探测指标,对用于机场风切变监测的激光雷达研制和已有激光雷达系统的改造升级有技术支撑作用。本文设计的激光雷达风切变监测系统设计验证软件分成几个主要模块:发射机模块根据信号形式和调制方式产生适合于风场探测的发射信号,可以设置信号参数、调制参数和发射天线参数;天线扫描模块按照一定的扫描方式对近地空间进行扫描,可以配置扫描参数和扫描速度等参数;风场模块包括风切变模型以及杂波和噪声模型,可配置风场半径、位置、扭曲因子、杂波单元数等参数;接收机模块包括探测器模块和数据预处理模块,可以配置接收天线参数和探测器参数,可用外差探测和中频处理器来分别实现;信号处理模块需要在被杂波和噪声淹没的回波信号中提取出目标信息进行反演,包括杂波抑制子模块、谱矩估计模块和风场反演模块,杂波抑制可由多普勒滤波器组来实现,在滤波之前往往还需要对信号进行积累。对于风切变回波,可用FFT法来估计回波功率谱,风场反演用一种最小二乘法和自适应遗传算法结合的方法来实现。然后,采用SIMULINK工具来实现该软件框架以及性能分析。在机场风切变探测的激光雷达设计验证软件框架的基础上,对各个模块涉及到的方法进行研究对比,并对整体框架做了设计验证。改变雷达系统技术指标,通过设计验证软件来分析系统指标对相同风切变风场的探测性能,对系统指标进行优化;对于已有的雷达指标,通过设计验证软件分析对于不同风切变风场的探测结果,对其探测性能进行分析;在设计验证软件中调用不同反演模块来分析不同反演算法对径向风速的拟合结果,考察不同风切变反演算法的精确度和实时性。通过验证分析,表明了文中设计的软件框架具有初步应用价值。


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