基于相干测风激光雷达的理论与技术研究.pdfVIP

目录

摘要I

AbstractIII

第一章绪论1

1.1研究背景1

1.2国内外测风激光雷达研究现状3

1.2.1国外测风激光雷达研究现状3

1.2.2国内测风激光雷达研究现状5

1.2.3相干测风激光雷达的优势及应用5

1.3本文主要研究内容及组织结构6

第二章相干测风激光雷达原理9

2.1相干测风激光雷达基本原理9

2.1.1激光雷达方程9

2.1.2多普勒效应10

2.1.3外差相干探测原理12

2.1.4脉冲累积技术13

2.1.5三维风场矢量合成14

2.2相干测风激光雷达的性能参数16

2.2.1距离分辨率16

2.2.2速度分辨率16

2.3相干测风激光雷达系统构成17

2.4本章小结18

第三章相干测风激光雷达信号处理19

3.1低信噪比下的局限性19

3.2划分距离门19

3.3距离门背景噪声消除20

3.4二维高斯低通滤波21

3.5自适应峰值检索算法22

3.6自适应降噪峰值检索（ANRPR）算法步骤23

3.7本章小结24

第四章相干测风激光雷达实验结果分析25

4.1实验地点和数据收集25

4.2ANRPR算法实验分析25

4.3基于ANRPR算法的风场反演实验28

4.4本章小结32

第五章移动端相干测风激光雷达风场反演实验33

5.1运动补偿算法33

5.2实验结果分析35

5.2.1静态标定实验35

5.2.2走航对比实验36

5.3本章小结39

第六章总结与展望40

6.1总结40

6.2展望40

参考文献42

致谢48

攻读硕士学位期间取得的研究成果50

摘要

相干测风激光雷达(CoherentWindLidar,CWL)系统以其高精度和远程探测能力突显优

势，能够提供精准风速和风向信息。这种雷达通过探测散射回来的回波信号的频率变化（多

普勒效应）来测量风场，使其在气象预报、风能评估、航空导航安全以及环境监测等领域

得到广泛应用。其能够在各种天气条件下进行高分辨率的三维风场测量，对于理解和预测

天气模式、优化风力发电站的布局及提高飞行安全性等具有重要价值。

随着CWL的重要性越来越凸显，其面临的技术问题也越来越被科研人员所重视。在

激光雷达回波功率谱的分析中，我们通过识别其中的峰值来确定由目标散射运动导致的多

普勒频移，然而随着探测距离的增大，信噪比(SignaltoNoiseRatio,SNR)逐渐降低，回波

信号的强度越来越微弱，存在着提取多普勒频移存在困难的情况，进而可能反演出错误的

大气三维风矢量。在目前的研究中，测风激光雷达技术主要聚焦于地面静态系统，而对于

基于移动平台的测风激光雷达系统的探索和开发则相对有限。移动CWL通过其高度的适

应性和灵活性，极大地增强了对复杂气象现象的实时响应和理解能力，相较于固定的地基

CWL，具有巨大的优势。雷达在移动时平台会产生一个初始的运动速度同时姿态也会不断

的发生变化，进而导致雷达的探测结果出现明显的误差，降低了雷达探测的精确度。运动

补偿技术则能够校正由于平台自身运动引起的数据扭曲，保证测量的准确性和一致性。因

此，开发新的光谱信号处理算法和运动补偿技术成为提高数据可用性的关键。

针对以上问题，本研究的主要内容如下：

(1)本研究基于速度方位显示(V