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多普勒测风激光雷达数据处理方法分析

发布时间:2019-07-06 06:59 来源:未知 编辑:admin

  多普勒测风激光雷达数据处理方法分析_理学_高等教育_教育专区。第 3 卷第 3 6 期 Vo.6o3 1 N . 3 红外与激光工程 Ifr ad eE g er g n a d Ls ni en r e n a r n i 20 0 7年

  第 3 卷第 3 6 期 Vo.6o3 1 N . 3 红外与激光工程 Ifr ad eE g er g n a d Ls ni en r e n a r n i 20 0 7年 6月 Jn 0 7 2 0 u. 多普勒测风激光雷达数据处理方法分析 王邦新 ‘ , 孙东松 ’ , 钟志庆 ’ , 夏海云2沈法华2周小林 ’ , , , 董晶晶 ‘ (. 1中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 203 ; 301 2苏州大学 物理科学与技术学院, . 江苏 苏州250 ) 106 摘 要: 介绍了基于双 Fb - r 标准具的测风激光雷达的工作原理,分析 了大气分子散射对 ar o yP t e 风速测量的影响, 并给 出了相应的数据处理方法。 模拟并分析 了两种不同迭代初值在 13次迭代时产 - 生的系统测量误差,给出了1 5 k m和 k m处风速的测量误差。利用 自 行研制的一台多普勒测风激光 雷达对合肥地区对流层风场进行测量, 并用两种方法处理了实验数据。结果表明, 改进的数据处理方 法是 切 实可行 的 。 关键词: 激光雷达 ; 米散射 ; 瑞利散射 ; 风; 数据处理 中图分类号: N 5. T 98 8 9 文献标识码: A 文章编号: 0-2620) -33 0 1 727( 70 07-4 0 0 3 A a s o d t p o esn me o frp l wn l a n l i f a r c sig t d D pe id r y s a h o o r i d WA G n -n S N n- n'Z O G i i 'XA i u2 N B gx ' U D gs g H N Z -n , H - n a i, o o , h g g I ay , S E F - a Z O X ol , G 一 g Ua- 'D N J g i ' H N h 2 H a u , i i O n i n n (. tu o nu O i ad e cai , ae y c ne, f 203 , i ; st e A hits Fn Mehn s cdm o Si cs e i 01 h a 1I it f n pc n i cA fe H e 3 C n 2Sh o o hs a S i e T ho g , oh wn e i S zo 2 06C i ) ol Pyi l ec adcnl y Soco U i r t, hu50 ,h a . c f c c n n e o c v sy u 1 n A s at h m s e r c l o op r d r e n l r - r e o s T e a r p ni e D pl wn la bs o ada Fb e tl i bt c: r e u di p f e i i a d d u ay P o t n a ds i d T eeta opec l u rtr g t m a r etwn s e a aa zd e r e. e c o t shr m e l s en o h es e n o i p d nl e, cb h f f f m i o c a c i n a e u m f d e r e y ad cr sed gt poes g t d a so n Mesr e o wt 1 3 e iri o to n t o epni d a csn m h s hw .au d rh t s av f h e r n a r i eo r e e r r i - i t te w m e df ec iri vl s s u t ad l e. m a r et r o wn s e a 1 ad ie ne av a e a i le n aa zd T e s e n e o f d d k n fr t teu r m a d n y e e h eum r s i p r e tm 5 aid a g e.e pl wn la dvl e b or l s ue t m a r t k l uee n T D p r d r e pd u e e i s oes e m t t r i v h o e i i d e o y s v s d u h e tpshr wn fl i H f ad epr et dt a p cs d n tof ett d. r o e i id e i t xem n lu r r e e ui w d e n m h s o p e d n e n h e e i a a me s s g i r o f eo R sl i i t t t ipoe m t df s l eus c e t m rvd h i e ie tn a h h d a e e o s b . a K yr :a; etr g alg s tr g s Ldr e w d i Mi s ti ; y i c t n ; n ;a p csn o c en R e h e Wi D t r es g a ai d a o i 0引 言 自1 4 e 和Cm i 首次证实利用激光多 9 年Yh u mn 6 s 普勒技术(D ) L V 可测定水流速度后〔, 1 多普勒激光雷 [ 达已逐步成为精确测量三维风场的强有力工具[ 2 ) 。目 前可以采用相干探测和非相干探测( 直接探测) 两种方 法来实现对多普勒频移量的测量。相干探测是利用散 射的多普勒频移信号与激光本征频率信号在探测器 上进行 差拍 的原 理 , 产生 的差频信号进 行处 理分 对 收稿 日期 :06 1- 0 20 - 0 2 ; 修订 日期 :06 1- 0 20 - 2 1 析得到多普勒频率; 直接探测是光信号直接人射到高 分辨率的干涉滤光器中进行多普勒频率检测。 从全球 风场的测量来看, 直接探测多普勒激光雷达技术相对 相干技术来说存在一定的优势〔。直接探测多普勒激 3 ] 光雷达主要采用边缘检测『 , 4 和条纹图像〔 - 5 6 ] 两种频移 测量技术。 边缘检测技术采用最多的是 Fb - r 干 ar o yP t e 涉 「。 仪一 7 , 描述了基于双 Fb - r 标准具的测风激光雷 ar o yP t e 签金项目: 中国科学院百人计划资助项 目 223433)中国科学院知识创新工程资助项目(X 21 (002010 ; C 00) 作者简介: 王邦新( 7- , 山东安丘人, 1 9 )男, 9 硕士生, 主要从事多普勒测风激光雷达的研究工作。 m ibwn@ .m E a: g 1 c l a 6 o x 3 导师简介: 孙东松(92 )男, 16- , 江苏江阴人, 研究员, 博士, 博士生导师, 主要从事多普勒测风激光雷达的研究。E a :n a f . . m ids @ ima c lu o c n s 34 7 红外与激光工程 第3 6卷 达的工作原理、 大气分子散射对风速测量的影响以及 数据处理的方法。 改进了 K r o b提出的处理方法 , 比 并 较了两种处理方法引起的测量误差。 理论模拟了实际 接收信号的风速测量误差 ,并给出了初步的测量结 果, 论证 了数据处理方法的有效性 。 V 丁A V r ) - k L I 入 niA 、 -, () 3 式 :tV表 ( )反 数 中R () 示R v 函 。 R -A O的 2 数据处理方法及其分析 由于大气后向散射信号中含有气溶胶后向散射 信号和大气分子后向散射信号,为了减小测量误差 , 应该扣除大气分子后向散射的影响。 以下分别给出了 大气分子后向散射对测量风速的影响以及相应的数 据处理方法和误差分析。 21 大气分子后向散射对测f结果的影响 . 望远镜接收到的大气后 向散射信号含有气溶胶 后向散射信号和大气分子散射信号两部分。 2 图 给出 了温度为 20 大气分子后向散射系数与气溶胶后 3 K, 向散射系数相同时, 分子散射和气溶胶散射信号在两 个标准具上的透过率曲线。可以看出, 分子散射信号 的透过率在 1%-0 5 2 %之间变化。图 3给出了大气分 1 测风原理 激光雷达向大气发射激光脉冲, 并接收大气的后 向散射回波信号。由于风的作用 , 接收的大气后 向散 射回波信号( 包含气溶胶散射信号和大气分子散射信 号)相对于发射激光频率产生一定的多普勒频移 , 该 多普勒频移与激光雷达径 向风速之间的关系为 : Vr -- 入 一2 △ V () 1 式中:r y是径向风速;是激光波长,V A A 是多普勒频移。 测风的基本原理如图 1 所示。 两个高精度高分辨 率的标准具 Ea n 1 Ea n 2的频谱中心分开一 to - 和 to- l l 定的频率间隔, 出射激光频率标定在两个标准具频谱 的交叉点上。 发射的激光脉冲经过大气中运动的分子 和气溶胶散射, 被望远镜接收随即进人双标准具检测 系统。如果多普勒频移为零或风速为零时, 两个标准 具的输出信号相等 ; 当后向散射信号存在多普勒频移 时, 通过两个标准具的输出信号强度就存在一定的差 值, 由该差值就可以得到多普勒频移。 E ao - tln 1 E ao - tln2 1 . 0 1 } 0 }夕 . h 8 a 疏Cn t P n 0. F" ̄ - 一 6 ’ - 一 - n 月 } : 1 , 一 C a 一 hn - 2 Ch d a 0 0二 . 七二 0 匡 一泛 、 屯 - 0 - 0 一 0 1 0 3 0 0 0 5 0 5 0 3 0 1 0 0 FeunyMH r ec/ z q 为 留 吕 月 公 易 几 几 10. T i I M 图 2分子散射和气溶胶散射信号的透过率曲线 F . Tas iac cre o m l u r arsl a i2 nm tne vs o cl ad oo s nl g r t u f e a n e i g 目L … 兀() v 拐 一aM -- - -i Le -s si eg -n ra l 0 公 巴 0 各 公 目 州0 州 2 工. ‘ 0 0 - - h n el C a n l 一 C an 1 一 h n e2 一M R yy 6 nl N 日I al g s a C i / g \ \ 0 … }6 0 4 VI L V2 V VV 0 D - v 0 2 图 1气溶胶散射信号测量原理 图 FgI e t d ga o t arslkctr i. hmac r f e o bcs te S c i i m h o a ae d a e s nlau et m n i a m sr g e e - 0 5 0 0 5 0 10 FeunyMH rqec/ z 图 3分子散射信号与气溶胶信号的比值 Fg R t o m l u rkctr ad oo s nl i. ao o cl bcs te n arsl a 3 i f e a a ae d e i g 在只考虑气溶胶后向散射信号的前提下 , 定义两 标准具的透过率之比为: 子散射信号透过率与气溶胶后向散射信号透过率的比 值。图中实线和点划线分别为两种信号在 Ea n 1 to- 和 l Ea n 2 to- 上的透过率之比。由于此时大气分子后向散 l 式中:, Z T( 和T( 分别为标准具透过函数和气溶胶后 射系数与气溶胶后向散射系数相同,图中实际给出了 v ) v ) 向散射谱的 卷积; 和V V 2 I 是发射激光中心频率V分别 瑞利散射信号与气溶胶后向散射信号的比值。在可探 。 比值在 2%-1%之间变化, 0 10 因 与 标 两个 准具频谱中 o 0 距离, =。, , 测的速度动态范围内, 心V 和V 的 : 2 V V一。 , , 爪( + V V A) 2 RO ) (v= () 2 兀( + V v A) , V V-O 0 为多普勒频移。径向风速可改写为: 2 L;, = V 2 此不能把瑞利散射信号简单看成是一个不变的背景信 第 3期 王邦新等: 多普 勒测风 激 光 雷达数据 处理 方 法分析 35 7 号, 在数据处理过程中需要扣除。 22 数据处 理 方法 . 者进行模拟分析 。 , 一 1 n 产J … 根据 K r o b提出的理论公式[有 : 1 0 1 吵 日 1 、 八 1  ̄1 甘 ( a ) 二 , . 。 、一 , ()一份}) () I, T++ V仓 4 . iI Y( V =今 ( V I+ Ivv M R ‘ 1 今 V 1 /』 o J』 。 沙 『。 0 [浑 0 l z l k v l k: 。 ) I vJI k: 。 ) l = , ) Z一 V+ y( ) s a v , , 一 V a V -05 -20 , ̄ 、 , ’ 、  ̄ 式中:i s I 和I s 2 为实际接收的两个信号通道的信号强 度; 为回 I 波信号中的大气分子散射信号的强度; i t r T 1 和T为气溶胶信号在两标准具上的透过率;和.为 z s f f z , 分子散射频谱与两标准具透过率峰值重合时, 分子散 -10 ./ , l二 f^ . l f -15 T2 K 0 =3 - 0 - 0 5 3 I 、 \ 、 、 一 0 0 3 0 1 1 0 5 2.0 裔 ?任 1』 0七 。 乡 }。 0 [岁 Vl i/', e cy s o tm 射频谱与标准具透过率函数的卷积; 为分子散射频 I , . 谱的响应值。公式() 4后半部分为实际接收信号中瑞 利后 向散射信号的贡献。 肠 l(j 05 0 们 -l.0 -15 -20 ’ ,、 、 、 、 一 、 () b 尹 、 I- (V2 一 , . AYIv △) I M R ( 2 RO ) ( v= I- (v1 ( +V s I O)I V A) , ,f, 1 e 、 () 5 9/二 k. l Pt T 2K = 0 2 ’ ‘ ’了 、 可以看出, 分式的分子和分母都已经扣除了瑞利 散射信号的影响, 由于 △ 是要求解的结果 , V 故采用迭 代的方法来逐次扣除瑞利信号求解多普勒频移量。 迭 代的步骤为: () 1 选择适当的 A V初值 , 代人公式() 5求得多普 -0 - 0 0 5 5 3 一0 0 3 0 11 Vl i/-, e cy s o tm 图 4两种迭代初值引起的速度误差 Fg4 l i rr tof ec ir i vl s i. V o t e o o w d e ne av a e e c r f i r y f t t e u e 勒频移△ , V作为一阶△a Vt () △ ( l 2 把 V 代回公式()计算得到二阶多普勒频 5, 表1 测风激光雷达系统参数 T b1rme r o tep l wn l a ss m a . P a t s h D p r d r t a e f o e i i d ye Ss m r e r yt p a t e am e Wa l g e nt ve h Ee y nr g San gg cni a l n ne S aa r o t n ptl l i i e uo s R c ie F e ev r OV Vau le 16 m 0 4 移△( V; 2 ) () 3 返回第二步继续迭代。 迭代直至多普勒频移值收敛于某一点。 23 迭代初值的选取及误差分析 . 实际处理过程中, 选择合理的迭代初值是至关重 要的。K r 在处理中采用迭代初值为 △ = o b V 0的方法 , 20 pl m /u e 0 J s 40 5 3 m 0 3 0 0 mm 0 1 mrd a .5 5% 0 Ba d dh n wit 0 5 . n m 1 % @ 16 n 8 0 4 改 后 用 代 值 v 一,S 下 对 种 进 采 迭 初 O R(/ ) 面 两 迭 =,} I。 I , 代初值引起的处理误差进行模拟。 模拟中假设发射激光脉冲的频率初值位于两标 准具透过率交叉处 , 且利用表 1 中给出的激光雷达的 系统参数 , 给出了对应的处理误差 , 如图4 所示。 模拟中, 假设大气温度为 20 大气分子后 向 3 K, 散射系数与气溶胶后向散射系数相同。图4a和() ( b ) Q at ce iet un m fc n u o fi 根据雷达系统参数 ,采用 17 年美国大气标准 96 和晴天气溶胶模型( , i 数值估算了 1 5 l l k m和 k m处实 际接收信号的风速测量误差 , 如图 5 所示。 石 ?月 台 七 。 雳 吕 1浑 *z =1 k m O : 5 二 k m 0 分 给 了 代 值 v 和 v(I )数 别 出 迭 初 △ 0 △= ‘, 据 = R I I时 一, , 处理过程引入的风速误差。 图中, 点划线、 虚线和实线 分别表示一次迭代 、 二次迭代和三次迭代的情况。当 迭代初值为 d = v0时,二次迭代和三次迭代的速度误 ‘ 、 一 “ a“ p 飞 o’ p 一、‘ } ‘ 9 。 0 p p 、P 。0 :}。 O A :p _ p 0 差 别 于 . / 0 m;代 值 △ R( 分 小 0m 和 . / 初 为 v 一, 7 1 s , 5 迭 =, I /i 时, I) 二次迭代和三次迭代的速度误差分别小于 s 0 m s 0 3s 后者明显优于前者, . /和 . m 。 2 0 / 下面采用后 V lc y.二 eoi / t 图 5k 和 5 处风速的测量误差 1 m k m Fg5 au m n e os wn sed 1 adk ai d i. Mesr et r o i pe a k n 5 lt e e r r f d t m mtu 36 7 红 外与激光工程 第3 6卷 估算中采用 0 个激光脉冲累计,选择迭代初值 20 为 v . 行 二 迭 。 以 出在1 △=‘ I) 了 次 代 可 看 , k RQ I进 一 , m 和 5 k m处风速测量误差分别小于 0 m s 1s满 . /和 m , 2 / 足系统风速误差为 1 m s . /的设计要求。 5 O=_,1时 明 改 数 处 的 度 通 v(/ )可 显 善 据 理 精 。 过 R1 s 11 2 实际系统的模拟得出实际接收信号的风速测量误差 在 1 k m和 5 k m处分别小于 02 s 1s . m 和 m ,满足 / / 3 对流层风场的初步测最结果 中国科学院安徽光学精密机械研究所已建成了 采用上述原理的多普勒测风激光雷达。 该激光雷达 以 系统的设计要求。 给出了合肥地区对流层径向风速的 初步测量结果, 证明了数据处理方法的可行性。 参考文献: [ E Y C MMI S Z L cle f i f w esrm n 1 Y H , ] U N H. a zd d o i l u l m aue et o s 4“ 5天顶角指向大气层,并从正东方向开始间隔 10 20 顺时针依次测量三个方位的径向风速 , 从而得到水平 风速廓线 给出了该激光雷达在 20 年 2 2 06 月 4 一 △ A(/) △ R .. } `l IA 一 沪 V /) 1 wt aH -e r tm t [ A p Py Lt 94 le s co e r. l s t 16, i N a p r e J p h e , h e s e ] 40 : 7 - 7 . 18 ( ) 16 1 [ A E W, 2 B K R E ] MMIT ,O E T O F t i r ma r T G DR B R S Ne aLd -e ue , 1 a s d . wn f m a a c pnn f et r c a c: kym oet w a e adm t i r s e e o d o p o r h n l e i pei tn B lA .ul r t rc19 , 6: -8 . r ci [ d ao J ] me Me o S , 5 7 () 89 88 e o 9 6 6 [] L SA, R C T erf dul- g m l u r 3 F E I C K B L ho o t ob e e e l O . y h e e d oca 日 创 口 心 口 麟 粼 丈 箭了。 一 目 习  ̄O P U 书 昌 嘴 蔓 thi e D pl l r d s m n JA p O , op ra wn m a r e [ .plt e nu f c q o r e i d i eu e t ] p 19 , () 42 40 3- 4 . 993 3: 8 [ H N LG mi AH uhcme e aAop ra 4 C A I M,a e ,aceo A t D pl l r ] N r , 1 . e i d f m a rg d i h i e s r JG ohs i st mdl a ope [.epy R s o e u n wn n r s i e d t h e m ] e L t 18 , 1) 17 - 26 (1: 3 17 . et 99 1 , 6 2 [] H N Z i gS Nogn, N Bn -ne a 5 Z O Gh -n, g U Dn - g i s WA Gag , l o x t i . D pl wn i r e n r - r Ea nI r e la bs o Fb e t l [.f rd op r d e i d a d ay P o to J n a ] ad s E g er g 钟志庆 , i ei ( n L e nn n a r 孙东松 , 王邦新 , 基 于 等. Fb e t ar - r 标准具 的多普勒 测风激光雷达. yPo 红外与激光工 程) 06 3( : -9. ) 67 60 , 0,6 8 2 5 [ B E VJWi m a r etf m o ilf mi 6 A R U n es m n r a r t p tr u n ] . d u e s n a l o s g o b a a rt wt n hr t co : nl iJA p O , i i oe n dt t n a aa s[.p st la ss m h i ye d c e e i n y s e ] p 17 , (7: 2 29 . 29 - 97 991 1) 9 8 V lct/ s e i m. oy Dr t n ' i co/ ) ei ( 图 6水平风速和风向的初步测量结果及两种方法的比较 Fg6m rsl o hr ot wn vl i adn d co i. Pia r us oi n l d o t n w d tn r y e t f z a i e cy i i i e r ado t s cm asn d' pro nt m h w eo o i 日下午 4点测得水平风速的垂直廓线及改进前后两 种处理方法 的对 比结果 。可 以看 出, 改进前后风速结 [] O B L G N R B L S E g t hi e pl 7 K R C, T Y M, X de n u D p r E I . e q c o e la wn m se ns h v ta rsli [ A p a r et wt h hrclo tn.p l i r d u m d i e i i ei e uo J g I O t 97 3 (4: 6 58 . 2) 57- 93 p, 9 , 1 6 9 [ O P A E C , A NE A H R Z G, a R y i - 8 S U R Y N G R IR E T O Ae l alg ] , t . e h 果有明显不同。改进前的风速结果变化较大, 且较离 散; 改进后风速结果变化平缓 , 且不会产生较大的离 散点。从改进后的结果可以看出, 1 以下, 在 k m 风速 变化不明显 ,- k 13 m风速变小 , 且较稳定。在 3 k m附 M eop r d r t s r m a r et I wn la f a opece u m n . i D pl i i o m h i e d r s e s . 近有明显的风切变特征, 4 3 k - m风速变化较大, k 4 m 以上风速变化缓慢 , 且随高度略有增加。 3 在 k m以下 风向变化不明显, k 以上风向变化较大 , k 3 m 3 m处有 明显 的风切变特征。 I tm n l , i tn f cm to c r us ] pvlao ad t a l il l [ . nr et su ad i n a l o g a e t J su a e t s i s A p O t 19 , 1) 40 22 93 (2: 1- 4 1 p i , 8 p 9 2 [] R C M,H N a-n r o hr wn m a r et 9 B U E GC E H i . o s ec d s e n u l T p p i i eu m s i otndi h odr i O s a r f t G da Ldrbevt o Wi s b i wt e ae h d a r o y r n d (L W)V l t n P f m neC/ rceig o PE ao adr r ac[]PoednsS I , G O :i i n e o ad / f Ldrmo es g Id s a E i n et n - Sni fr ut d v om n Moi i R t a e e n o n r n n r y t oig 20 4 47 8 . , 8 : - 1 r H, 1 4 4 n 0 4结 论 描述了基于双 Fb - r 标准具的测风激光雷 ar P o y t e 达的工作原理、 大气分子散射对风速测量的影响以及 数据处理方法。 改进了 K r o b提出的处理方法 , 并对两 种处 理方 法 进行 了 比较 。结果 表 明 , 迭代 初值 为 [ ]O BL G N R B,I e a T er t D ul- 1 K R C E T YM L S t ho o h ob 0 , X, l . y f e e Egt hi e op r r d s e n[ . l o D pl la wn m a r et A p de cn u f e q r e i d i eu m J p ] O t 98 3 (5: 7 30 . 1) 39 - 14 p, 9 , 1 7 0 [1 MC L T H Y A A I D .topec nmso 11 C A C E RA G T A Am shr Tas ii , P ' i r sn o L srd t nA G - R 7 - 0 9 , 7 : ao , F L T - 8 02 [ ] 9 82 . f e R i i a a R 1 4

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