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菲佐测风激光雷达及风速反演算法 第21卷第8期
8月
强激光与粒子束
HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS ,
Aug.,
文章编号:1001—4322()08—1139—04
菲佐测风激光雷达及风速反演算法
},令兵,刘继桥,周军,陈卫标,曹念文,黄兴友,夏文梅.
(,南京210044; ,上海00;,南京210008)
摘要:研制了基于菲佐干涉仪的测风激光雷达系统,并使用高斯拟正当和最大似然法反演风速,对两
种风速反演办法进行了分析,成果表明:风速较小时,两种办法含有相似的风速反演精度,但高斯拟正当收敛
快,受条纹信噪比影响较小;风速较大时,高斯拟正当会由于条纹移出而产生较大误差,而最大似然法在解决风
,应根据风速预计值的大小,采用两种办法分别解决大风速和小风速
,使用研制的测风激光雷达系统和风速反演算法,.
核心词:测风激光雷达;风速反演算法;高斯拟正当;最大似然法;风速廓线 中图分类号::A
大气风场在气候气象,航空航天,军事科学等研究领域都有重要的应用,由于激光雷达测风含有高时空分
辨的特点,激光雷达作为一种新型风速测量设备在国内外发展快速口].直接探测测风激光雷达不受气溶胶含
量限制,无相干损失,对光学系统规定低,(Fizeau)干涉
仪的条纹技术,相对双边沿技术含有一定的优势,是现在低空风场探测的较抱负探测办法].在国外,基于
Fizeau干涉仪的条纹技术激光雷达将作为欧洲空间局风神计划的有效载荷之一于发射升空[5;在国
内,孙东松等人较早提出了基于Fizeau干涉仪的条纹技术测风激光雷达,并对风速测量效果进行了分析与模
拟[6.].刘继桥等人研制了用于条纹技术激光雷达的Fizeau干涉仪,建立了测风激光雷达系统].本文介绍
了基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达系统的原理和构造,并对风速反演算法进行了研究,使用反演算法对激
光雷达系统实验数据进行解决,. 1Fizeau测风激光雷达系统
由Fizeau干涉仪用于测风的原理可知,当有多普
勒频移存在时,Fizeau干涉仪背面条纹的重心相对无
多普勒频移时发生移动,根据条纹重心的移动即能够
反演大气风速[9].基于Fizeau干涉仪的测风激光雷
激光,激光器重复频率为100Hz,单脉冲能量为10
mJ,
光由光纤直接引入望远镜,大部分经扩束后进入大气,
300mm卡塞格林望远镜接受,由多模光纤将后向散
束镜,窄带滤光片进入Fizeau干涉仪,Fizeau干涉仪
的自由光谱范畴为1GHz,
干涉仪所成的条纹由16通道光电倍增管阵列探测器
interferometer
图1菲佐测风激光雷达构造图
(HAMAMATSU,R5900U一00—16L),一部分运用两块8通
*
收稿13期:—07—14;修订日期:—02—15
基金项目:南京气象雷达开放实验室研究基金项目(BJG05) 作者介绍:令兵(1976一),男,山东巨野人,博士,讲师,重要从事激光大气探测方面研究工作;.
通信作者:刘继桥(1978一),男,湖北麻城人,博士,副研究员,重要从事多普勒测风激光雷达研究;.
强激光与粒子束第21卷
道并行数据采集卡(CS8280,10Msample/s,12bit)采集大气后向散射信号;另一部分通过峰值保持后使用
NI6259进行采集(2Msample/s,16bit).由于参考光信号不小于后向散射光信号,峰值保持响应的是参考光幅
度,
,再根据激光雷达系统
的标定成果()即能够得到视线风速.
2风速反演算法
激光雷达系统中探测器探测到的光谱为发射激光光
谱和干涉仪光谱的卷积,普通为Voigt函数,但Viogt函
数是复杂的积分形式,只能运用数值办法近似求解,计算
,实际风速反演过程中利 , 光谱学中普通使用某种极限的办法,运用高斯函数或者 用高斯函数原型,运用最小二乘法即能够得到条纹的中 ,其中 ,实线图表达系统实际 velocity/(m-s)
图2高斯拟正当产生的风速误差
变化略有不同,,风速误差曲线含有明显的周期性变化,其形成因素
是由于风速的存在,探测器
通道周期性的出现在有关条纹中心对称的位置,此时风速误差最小;当探测器通道
偏离对称位置则风速误差增
大..精细度较高,条纹占有的有效通道数少,参加高斯拟合的有效通道数减小,故风
较大时,由于条纹的一侧移出探测器范畴,故风速误差急速增大.
最大似然法是多普勒频移反演的另外一种惯用方 法[,每个通道接受到的能量 能够表达为光谱宽度,多普勒频移,自由光谱范畴宽度, 系统接受总能量的函数,且每一通道探测到光子数的概 率由泊松分布决定,则能够定义似然函数,当似然函数取 得最大值时对应的多普勒频移就是待求的多普勒频 , 由图中模拟成果能够看出:在风速测量范畴内,风速误差 较小,;由于采用数值计算的方 法求似然函数的最大值,其优化过程存在一定的随机因
素,因此风速误差也存在一定的抖动.
velocity/(m?s..)
图3最大似然法产生的风速误差
与高斯拟合的办法相比较,运用最大似然办法风速误差曲线不存在周期性的振荡,就风速误差而言,当风
速较小时,,目的函数明确,拟合收敛
速度快,易于激光雷达在线解决风速,而最大似然法收敛速度慢,并且计算时间不稳定,不利于风速的在线处
理,但该办法在风速较大时仍能得到较好的成果,,实际风速反演时,可
以运用高斯拟合和最大似然法两种办法分别解决大风速和小风速时的状况,风速大小则是根据条纹能量最大
值所在的通道数和光谱宽度来鉴定的,当能量通道数靠近边沿时认为是大风速状况.
激光雷达系统工作时,多个因素都会造成激光雷达采集的各个通道的信号发生畸变,影响系统的最后信噪
,,能够使用下述办法描述
其信噪比:首先对该信号进行高斯拟合,得到高斯曲线上对应通道数值为信号;实际信号与高斯信号的差值作
第8期卜令兵等:菲佐测风激光雷达及风速反演算法
为噪声信号;
给出50dB信噪比下风速反演算法对应的风速反演误
差,能够看出,最大似然法反演风速受信噪比影响较大,
而高斯拟正当受信噪比影响较小,在50dB信噪比状况
下,.
3风速廓线测量
激光雷达建立后来,为确保风速测量的精确性,必须
进行系统误差评定,固定硬靶(速度为0)散射实验是一
光雷达系统进行了硬靶散射实验,每次测量积分时间为
1rain,多次测量实验成果如图5所示,1O次硬靶散射的
velocity/(m?S)
图450dB信噪比时风速误差
,,实际风速测量时,风速普通不为0,
由图2和图3知,风速测量误差也会发生对应变化,
,
据解决时,为提高信噪比,首先将每100个相邻脉冲数据进行相加,得到信噪比较高的条纹;另一方面,将各个通道
的高空点(文中取256个测量数据中的最后16个)的平均值作为各自背景进行背景扣除;再次,运用滑动平均
的办法对不同高度进行平均,每5个点进行平均,解决后空间分辨率由15ITI变为751"13.;最后,运用高斯拟正当
,并且考虑系统的标定成果,即能够得到
,能够看出两次风速测量成果基本一致,
特别是1000ITI以内,风速廓线能够较好的吻合.
measurementtime/mln
图5硬靶散射实验成果
4结论
运用高分辨Fizeau干涉仪建立了基于条纹技术的多普勒测风激光雷达,为提高激
光雷达数据质量,在风
速反演算法方面,
明,高斯拟正当收敛快且受
信噪比影响小,合用于风速较小时的状况;当风速较大,能够使用最大似然法反演
,使用研制的测风
激光雷达系统进行风速测量,运用文中的算法进行风速反演,得到了l_5km以内的
现在条件的限制,没进行风速廓线的对比测量实验,但本文研究建立丫基于Fizeau
干涉的多普勒测风激光雷
达系统,并进行了有益于提高系统数据质量的算法研究,对条纹技术在多普勒测风
激光雷达中的应用品有参考
作用.
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