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联合时频分析在相干测风激光雷达中的应用 认领
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作者 刘燕平 王冲 +2 位作者 吴云斌 上官明佳 夏海云 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2018年第12期73-80,共8页
相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点,已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大... 相干测风激光雷达具有风场测量精度高、高时空分辨率、探测范围广等突出优点,已广泛应用于风切变探测、飞机尾流探测、风力发电和大气湍流探测等方面。如何从大气回波信号中提取微弱的多普勒频移信息是激光雷达信号处理的难点。基于大气分层模型仿真生成相干激光雷达大气回波信号,对模拟回波信号应用不同的时频分布进行时频分析。随后对比了时频分析的效果,自适应最优核时频分布具有运算量小,交叉项抑制效果好,时频聚集度高等优点。最后,使用1.5μm相干多普勒激光雷达于2017年3月份在安徽合肥进行实地观测,将自适应最优核时频分布应用于实测数据,与传统的快速傅里叶方法对比风速反演结果。结果表明:自适应最优核时频分布能更好地反映出风速细节信息,3km内距离分辨率为1.2m,3km后经平滑保持了对远场弱信号风速估计的连续性,时间分辨率为1s时其最远水平探测范围约在6km。 展开更多
关键词 时频分析 相干激光雷达 大气分层模型
相干测风激光雷达VAD风场反演的数据质量控制方法 认领 被引量:4
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作者 王贵宁 刘秉义 +4 位作者 冯长中 吴松华 刘金涛 王希涛 李荣忠 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2018年第2期147-154,共8页
相干测风激光雷达扫描测量模式下使用速度方位显示(VAD)方法反演水平风场时,若不进行质量控制,会使拟合数据精度大幅降低。基于最小二乘VAD拟合算法,通过分析相干测风激光雷达扫描测量模式中的多种误差源,设置了信噪比、数据残差、... 相干测风激光雷达扫描测量模式下使用速度方位显示(VAD)方法反演水平风场时,若不进行质量控制,会使拟合数据精度大幅降低。基于最小二乘VAD拟合算法,通过分析相干测风激光雷达扫描测量模式中的多种误差源,设置了信噪比、数据残差、扫描区间有效数据、数据有效率四个判据对参与拟合的数据质量进行控制,进而提出了基于以上判据的VAD逐级拟合质量控制方案,设计了数据质量控制流程,并对该方法进行了实验验证。通过对2955组10min平均激光雷达测风数据与高精度风杯数据进行对比分析,结果表明:经VAD逐级拟合质量控制流程后,风速均方根偏差从0.97m/s降低到0.54m/s,比对偏差降低约44%,风向均方根偏差从7.47°降低到5.55°,比对偏差降低约26%。 展开更多
关键词 VAD反演算法 相干激光雷达 数据质量控制
相干测风激光雷达微弱信号的频率估计 认领 被引量:2
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作者 周永升 马勋鹏 +1 位作者 赵一鸣 李凉海 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2018年第3期78-85,共8页
相干测风激光雷达通过探测大气气溶胶的多普勒频移信息获取风速信息。其回波信号为微弱信号,微弱信号中频率提取属于频率估计范畴。经补零处理后的快速傅里叶变换算法(补零FFT算法)应用于相干测风激光雷达频率估计,具有算法简单,运... 相干测风激光雷达通过探测大气气溶胶的多普勒频移信息获取风速信息。其回波信号为微弱信号,微弱信号中频率提取属于频率估计范畴。经补零处理后的快速傅里叶变换算法(补零FFT算法)应用于相干测风激光雷达频率估计,具有算法简单,运算速度快,稳定性高等优点。与常用的频率估计算法脉冲对算法(PP算法)和改善型脉冲对算法进行比较,验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达微弱信号频率估计方面的明显优势。通过仿真软件MATLAB仿真非相参积累脉冲3000次的前提下检测微弱信号(距离门宽度为128采样点)信噪比可达-26.6 dB。最后,通过风场试验获取实测风速数据,验证了补零FFT算法在相干测风激光雷达中应用的优越性。 展开更多
关键词 相干激光雷达 频率估计算法 补零快速傅里叶变换算法 脉冲对算法 改善型脉冲对算法
相干测风激光雷达中多核DSP并行风速反演算法的实现 认领 被引量:2
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作者 贾晓东 孙东松 +1 位作者 谢绍亮 吴小锋 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2016年第9期136-141,共6页
针对高重复频率相干测风激光雷达中风速反演时数据量大、计算量大、实时性要求高等问题提出了基于多核数字信号处理器(DSP)的并行风速反演算法。该算法的核心思想是,利用高速数据处理板卡DSPC-8681上的4颗8核DSP处理器采用单指令多... 针对高重复频率相干测风激光雷达中风速反演时数据量大、计算量大、实时性要求高等问题提出了基于多核数字信号处理器(DSP)的并行风速反演算法。该算法的核心思想是,利用高速数据处理板卡DSPC-8681上的4颗8核DSP处理器采用单指令多数据流的方式进行并行计算和同步,使用最大似然离散谱峰值计算出视向风速。在激光脉冲重复频率为10 kHz的条件下实现了相干测风激光雷达中实时的风速反演。通过实验验证,激光雷达的视向探测距离达到3 600 m,距离分辨率为60 m,风速测量范围为±30 m/s,时间分辨率为1 s,转动圆盘校准的速度测量精度优于0.48 m/s。 展开更多
关键词 相干激光雷达 并行速反演算法 多核DSP 最大似然离散谱峰值
激光光斑中心高精度定位算法研究 认领 被引量:9
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作者 陈和 杨志浩 +2 位作者 郭磐 张寅超 陈思颖 《北京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第2期181-185,共5页
为提高测风激光雷达系统光学结构能量接收效率,需要对激光雷达系统中的激光光斑中心进行准确定位.通过对常用亚像素定位算法的分析,利用高斯拟合和矩形区域来对灰度重心定位算法进行优化,提出了激光光斑定位的改进算法,并与已有的算法... 为提高测风激光雷达系统光学结构能量接收效率,需要对激光雷达系统中的激光光斑中心进行准确定位.通过对常用亚像素定位算法的分析,利用高斯拟合和矩形区域来对灰度重心定位算法进行优化,提出了激光光斑定位的改进算法,并与已有的算法进行了对比分析,设计并开展了验证试验.试验结果表明改进算法比已有传统算法对激光光斑的定位准确性大幅提高,最大限度地减小光斑形状的不对称所导致的误差,对于光能量分布中心的估计也更为准确,是一种切实可行的光斑中心定位算法. 展开更多
关键词 相干激光雷达 激光光斑中心 高斯拟合局部重心法 同轴性检
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相干测风激光雷达望远镜孔径及截断因子的优化分析 认领 被引量:2
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作者 步志超 郭磐 +4 位作者 陈思颖 张寅超 陈和 陈胜哲 葛宪莹 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2014年第3期694-699,共6页
基于相干多普勒测风激光雷达外差探测理论,给出自由空间和光纤耦合两种模式下外差效率的解析表达式,并通过参数替换使两者具有统一的形式;结合此表达式以及湍流环境下的信噪比公式,仿真给出了地基及星载相干测风激光雷达系统不同探... 基于相干多普勒测风激光雷达外差探测理论,给出自由空间和光纤耦合两种模式下外差效率的解析表达式,并通过参数替换使两者具有统一的形式;结合此表达式以及湍流环境下的信噪比公式,仿真给出了地基及星载相干测风激光雷达系统不同探测距离处的最优望远镜和截断因子。研究结果表明地基系统信噪比随着望远镜孔径变化比较陡峭,存在最优望远镜孔径和截断因子,如若取值不恰当,会造成系统信噪比巨大损失;而星载平台下回波信号的信噪比随着望远镜孔径先增加后保持平稳,望远镜孔径可以综合成本和信噪比进行合理取值,最优化的截断因子为80%。此研究对相干多普勒测风激光雷达探测理论的发展及系统器件的最优化配置提供了重要的理论依据。 展开更多
关键词 相干激光雷达 外差效率 望远镜孔径 截断因子
2μm星载相干测风激光雷达风速及风向误差建模与分析 认领 被引量:3
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作者 步志超 陈思颖 +3 位作者 张寅超 陈和 郭磐 葛宪莹 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2015年第4期465-470,共6页
基于全微分和统计理论推导了星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差的解析表达式,利用克拉默-拉奥误差下界代替Frehlich经验公式对风场的随机风速误差进行评估,建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型... 基于全微分和统计理论推导了星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差的解析表达式,利用克拉默-拉奥误差下界代替Frehlich经验公式对风场的随机风速误差进行评估,建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型.在NASA/NOAA提出的星载测风激光雷达系统设计指标框架下,对风速及风向误差模型进行可行性分析,得到了总的径向随机误差随着探测距离的变化关系及水平风速区间的选取对随机误差的影响.同时,为了计算合成采样误差,改变不同的垂直分辨率和方向角取值,对水平分量的采样误差进行对比分析.仿真结果表明,合成的水平风速和风向的误差范围为0.8~3.2 m/s和2.38°~3.49°,基本符合星载测风激光雷达的相关指标要求. 展开更多
关键词 星载相干激光雷达 速误差 向误差 克拉默-拉奥误差下界
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基于遗传算法的相干多普勒测风激光雷达风场反演方法 认领
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作者 原禄城 刘恒 +3 位作者 刘继桥 竹孝鹏 胡谷雨 陈卫标 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第8期248-255,共8页
提出了一种基于遗传算法进行频谱估计的相干多普勒测风激光雷达三维风场反演方法。该方法无需对视向风速进行计算,可以直接从多方位频谱密度中提取三维风场信息,能够提高弱信噪比情况下的数据反演精度。采用的遗传算法为针对相干激光雷... 提出了一种基于遗传算法进行频谱估计的相干多普勒测风激光雷达三维风场反演方法。该方法无需对视向风速进行计算,可以直接从多方位频谱密度中提取三维风场信息,能够提高弱信噪比情况下的数据反演精度。采用的遗传算法为针对相干激光雷达改进的遗传算法,能够准确、快速、并行地反演出风矢量解。对算法进行了仿真,结果显示,改进后的遗传算法在收敛速度以及全局寻优能力方面相对于传统遗传算法都有着明显提升,并且在低信噪比信号仿真对比中,此方法风场反演结果优于传统非线性最小二乘法反演结果。将该方法应用于实际雷达系统中,在激光雷达与探空气球实测数据对比中,两者水平风速均方根误差小于0.7m/s,水平风向标准偏差小于6°,这些结果验证了风场反演结果的精确性。将采用所提方法得到的结果与实测数据最小二乘法风场反演结果进行对比,发现在当时的大气条件下,频谱估计法约有12.3%的探测距离的增大。仿真和实测数据对比结果充分证明了此方法反演三维风场的能力和有效性。 展开更多
关键词 遥感 相干多普勒激光雷达 遗传算法 频谱估计
CALIOP数据在星载相干多普勒测风激光雷达性能仿真中的应用 认领
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作者 卢博 吴东 张天澈 《中国海洋大学学报:自然科学版》 CAS CSCD 北大核心 2017年第1期119-125,共7页
利用2007—2008年21个月CALIOP测量的夜间气溶胶后向散射系数的全球三维平均分布数据取代传统仿真中的气溶胶模型数据,对晴空条件下的2.1μm相干多普勒测风激光雷达的测风性能进行了计算机仿真研究。仿真结果表明,采用合理的系统参数设... 利用2007—2008年21个月CALIOP测量的夜间气溶胶后向散射系数的全球三维平均分布数据取代传统仿真中的气溶胶模型数据,对晴空条件下的2.1μm相干多普勒测风激光雷达的测风性能进行了计算机仿真研究。仿真结果表明,采用合理的系统参数设计,在20°S至40°N之间4.5km海拔之下单激光脉冲的径向风速误差普遍小于1m/s。以1m/s作为可接受风速误差的标准,符合标准的最大可测量海拔高度向两极方向递减,在南极附近减至1~2km。若10个激光脉冲平均测量,在对流层下层风速误差可降至0.5m/s以内,且在35°N附近最大可测量海拔高度可达5.5km。 展开更多
关键词 CALIOP 相干多普勒激光雷达 性能仿真 气溶胶后向散射系数
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最大似然频谱估计法与周期图最大值法的性能比较分析 认领 被引量:5
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作者 郭贤斌 郭磐 +2 位作者 张寅超 陈思颖 陈和 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第3期230-237,共8页
研究宽带信噪比和有效功率谱宽度对最大似然(ML)法多普勒频率估计结果的影响,采用探测概率和正确估计频率标准差来描述ML 算法对仿真信号和实验数据的处理性能,并与周期图最大值(PM)法所得结果进行比较。经理论仿真和对中国科学... 研究宽带信噪比和有效功率谱宽度对最大似然(ML)法多普勒频率估计结果的影响,采用探测概率和正确估计频率标准差来描述ML 算法对仿真信号和实验数据的处理性能,并与周期图最大值(PM)法所得结果进行比较。经理论仿真和对中国科学院上海光学精密机械研究所1.5 μm 全光纤相干测风激光雷达实测数据的反演处理,结果表明,高谱宽度下,ML算法的正确估计频率标准差与相比PM 可降低0.5 MHz,达到90%的探测概率所需宽带信噪比ML 算法与PM 算法相比低2 dB。表明ML 算法的正确估计频率标准差能与PM 算法相比不高于1.1 MHz,探测概率高9%。要获得风速精度小于1 m/s同时探测概率在80%以上,所需宽带信噪比大于-14 dB。 展开更多
关键词 遥感 相干多普勒激光雷达 多普勒频率估计 最大似然法 周期图最大值法 正确估计频率标准差 概率
相干多普勒测风激光雷达时域信号仿真及时频分析 认领 被引量:11
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作者 白雪 郭磐 +3 位作者 陈思颖 张寅超 陈和 步志超 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第1期323-331,共9页
基于大气分层时域信号生成模型(feuilleté model)进行非平稳信号的仿真。引入时-频域联合分析方法反演风速,对非平稳风速模型下的仿真回波信号进行算法处理研究。基于实际系统参数,分别在线性剪切风速和美国宇航局(NASA)阵... 基于大气分层时域信号生成模型(feuilleté model)进行非平稳信号的仿真。引入时-频域联合分析方法反演风速,对非平稳风速模型下的仿真回波信号进行算法处理研究。基于实际系统参数,分别在线性剪切风速和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真回波信号。对仿真信号作Wigner-Ville 变换,通过分析信号时频变换后的能量峰值在时频面内的分布来反演风速。采用多组脉冲累加平均的方式来减少因散斑噪声、交叉项等因素造成的反演风速的波动。结果表明,利用时-频域联合分析方法可以快速反演出风速信息,无需对探测范围进行距离门的划分;对多组信号的时频变换结果做累加平均处理后,反演风速的波动减小,与输入风速的一致性得到了明显的改善。 展开更多
关键词 遥感 相干多普勒激光雷达 速反演 时频分析 时域信号仿真
相干多普勒测风激光雷达外差效率的数值计算与分析 认领 被引量:3
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作者 步志超 陈思颖 +5 位作者 张寅超 陈和 郭磐 陈文博 陈胜哲 葛宪莹 《北京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第8期824-827,843共5页
论述了相干多普勒测风激光雷达外差效率的基本理论.对同轴系统中本振光和发射激光均是截断高斯光束情况下的外差效率进行了研究,利用圆孔光阑函数展开为高斯函数相叠加的方法,给出外差效率的解析表达式;采用计算机软件Mathematica... 论述了相干多普勒测风激光雷达外差效率的基本理论.对同轴系统中本振光和发射激光均是截断高斯光束情况下的外差效率进行了研究,利用圆孔光阑函数展开为高斯函数相叠加的方法,给出外差效率的解析表达式;采用计算机软件Mathematica分析外差效率随菲涅尔数和截断因子的变化关系,给出最大外差效率随着菲涅尔数的变化曲线和不同菲涅尔数下最佳截断因子的取值.该研究为相干多普勒测风激光雷达探测理论的发展及系统器件的最优化配置提供了重要的理论依据。 展开更多
关键词 相干多普勒激光雷达 夫琅和费衍射 外差效率
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