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差分吸收激光雷达建模仿真及其信息处理算法的研究

尹世荣  
【摘要】: 随着现代工业与科学技术的发展,大气环境保护已引起了人们的广泛关注,同时针对战场上禁而不止的化学毒剂的威胁,建立一个能对大气中的污染气体和化学毒剂的种类、浓度、分布等信息进行远距离实时监测的系统,在民用和军用两方面都十分重要。差分吸收激光雷达是一种能对微量气体进行询问式探测的先进手段,它既可用于对环境污染气体浓度进行监控、对大气中各种气体浓度测定并建立相应的数据库以便进行气象分析和预测等民用领域,也可用于战场化学毒剂的实时测量、化学武器爆炸效果定量研究等军事领域。 通过对差分吸收激光雷达进行建模和仿真研究并建立相应的仿真系统,可以方便直观地评价和预测差分吸收激光雷达在各种环境及系统条件下的性能,可以逼真地模拟和估计出差分吸收激光雷达的关键特征数据,有助于差分吸收激光雷达系统的方案设计、系统评估和性能改进,是一种经济有效的科学手段。本文针对远红外直接探测长程差分吸收激光雷达进行建模仿真,利用仿真生成的差分吸收激光雷达回波数据,研究了气体种类辨别、浓度估计,弱脉冲回波信号处理等信息处理算法。研究结果表明,建立的仿真模型更符合实际,研究的信息处理算法能更精确地估计气体浓度、更好地提取出淹没在噪声中的弱脉冲回波信号。 本文的主要贡献如下: 1.差分吸收激光雷达回波信号统计模型是差分吸收激光雷达建模仿真的基础,但是现有的统计模型均没有考虑大气湍流导致的激光闪烁对回波信号的影响。本文综合考虑了大气湍流导致的激光闪烁、目标反射斑纹、接收探测噪声以及发射功率波动等的影响,提出了更符合实际的改进的差分吸收激光雷达回波信号统计模型,并对该模型的统计特性进行了分析。此外,应用改进的回波信号统计模型,分析了大气湍流导致的激光闪烁和激光斑纹对测量灵敏度的影响。 2.在传统双波长差分吸收激光雷达中,为了实时、精确地估计出气体浓度,首次将多分辨率卡尔曼滤波算法应用到差分吸收激光雷达中,对气体浓度进行估计。在此基础上,提出了改进的多分辨率卡尔曼滤波算法并将该算法应用到气体浓度的估计中。该算法采用平稳小波变换进行分解,能在相同的环境和系统条件下实时且更精确地估计出气体的浓度。 3.多波长差分吸收激光雷达技术为同时探测和估计多种气体物质提供了潜在的能力,本文在最大似然估计算法的基础上,提出了一种用多波长差分吸收激光雷达同时探测和估计多种气体物质的算法,该算法仅需要知道每个波长的回波信号和待测气体的吸收频谱,就能辨别出混合在一起的多种气体物质并估计其浓度,估计性能相当好。 4.提出了一种基于小波域空间滤波的信号去噪算法,该算法特别适合处理具有显著边沿信息及含有明显脉冲的信号。将该去噪算法应用到差分吸收激光雷达弱脉冲回波信号的提取中,它不仅能提取出淹没在噪声中的弱脉冲回波信号,而且可以很好地探测脉冲回波信号的边沿,从而可以更精确地测量目标距离,更好地提取回波信号。 5.在建立的差分吸收激光雷达系统模型的基础上,应用改进的回波信号统计模型以及提出的气体种类辨别、浓度估计等信息处理算法,建立了差分吸收激光雷达仿真系统。该仿真系统可以对传统双波长差分吸收激光雷达进行仿真,也可对多波长差分吸收激光雷达进行仿真,可直观地生成各种模拟环境和系统条件下的回波信号,并可计算信噪比。对生成的回波信号进行信息处理,可以提取出待测气体种类、浓度、分布等信息,直观地验证信息处理算法。该仿真系统为差分吸收激光雷达的方案设计、系统评估和性能改进提供了先进的科学工具,为信息处理算法的研究提供实验室环境。到目前为止,综合信息处理算法的差分吸收激光雷达仿真系统未见相关报道。


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