CN114355387A - 基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法及系统，其中，种子源激光器产生线偏振光，线偏振光经过分束器后分为发射信号和本振信号，其中，发射信号经过声光调制器产生频移，调制成为脉冲光，脉冲光经过放大器的功率放大处理，经过环形器后由望远镜出射；望远镜接收到风廓线激光雷达回波信号，风廓线激光雷达回波信号和本振信号共同输入到耦合器中，耦合器的输出结果经过平衡探测器转换为中频电信号，中频电信号被采集卡采样，对采样回波信号进行功率谱估计，通过脉冲累加平均，提取多普勒频移，对风场风速信息实现反演。可实现高时空分辨率、低探测盲区、远距离、高测风精度的实时大气风场三维探测。

Description

基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法及系统

技术领域

本发明涉及风廓线激光雷达探测大气三维风场技术领域，特别是涉及基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

大气风场参数的实时测量在天气分析和预报中具有重要作用，包括提高风能利用率、粒子跟踪、边界层测量和机场安全等方面。早期的测风装置如：测风气球、高空探测仪、无线电经纬仪、微波雷达等,由于探测范围近、探测精度不高、空间分辨率低，无法满足实际需求。

风廓线相干探测激光雷达因具有体积小重量轻、移动性强、探测精度高等优点,被广泛应用于空间大气三维风场的实时探测。大气风场通常为空间和时间的函数,具有三维矢量特征。因此测量一定位置的顺时风场常常需要测定风场的三个矢量分量。在以往的研究中,三波束和五波束激光雷达偏多，但由于回波信号弱,雷达探测时极易受到各种干扰的影响，如遇到强降雨天气，使得雷达在一个或多个波束指向测量的回波功率谱中出现幅度较大的干扰谱峰,淹没回波信号，使得测风计算结果出现较大误差。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法及系统；可实现高分辨率、低盲区、远距离、高精度的实时大气风场三维探测。

第一方面，本发明提供了基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法；

基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，包括：

种子源激光器产生线偏振光，线偏振光经过分束器后分为发射信号和本振信号，其中，发射信号经过声光调制器产生频移，调制成为脉冲光，脉冲光经过放大器的功率放大处理，经过环形器后由望远镜出射；

望远镜接收到风廓线激光雷达回波信号，风廓线激光雷达回波信号和本振信号共同输入到耦合器中，耦合器的输出结果经过平衡探测器转换为中频电信号，中频电信号被采集卡采样，对采样回波信号进行功率谱估计，通过脉冲累加平均，提取多普勒频移，对风场风速信息实现反演。

第二方面，本发明提供了基于八波束风廓线激光雷达的风场反演系统；

基于八波束风廓线激光雷达的风场反演系统，包括：

依次连接的种子源激光器、分束器、声光调制器、放大器、环形器、耦合器、平衡探测器、采集卡和计算机终端；所述环形器还与望远镜连接；所述分束器还与耦合器连接；

其中，种子源激光器产生线偏振光，线偏振光经过分束器后分为发射信号和本振信号，其中，发射信号经过声光调制器产生频移，调制成为脉冲光，脉冲光经过放大器的功率放大处理，经过环形器后由望远镜出射；

望远镜接收到风廓线激光雷达回波信号，风廓线激光雷达回波信号和本振信号共同输入到耦合器中，耦合器的输出结果经过平衡探测器转换为中频电信号，中频电信号被采集卡采样，对采样回波信号进行功率谱估计，通过脉冲累加平均，提取多普勒频移，对风场风速信息实现反演。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法及系统；可实现高时空分辨率、低探测盲区、远距离、高测风精度的实时大气风场三维探测。

本发明能够提供以风场为主的多种数据产品，其基本数据产品包括功率谱、载噪比、水平风向、水平风速、垂直速度和反映大气湍流状况的折射率结构常数等的廓线。其次，相比三波束、五波束来说，八波束系统能有效克服一个或多个波束的回波功率谱中的污染问题，因此相对来说八波束相干测风精度更高、抗干扰能力更强。以往的发明中大多依赖于离线数据后处理，这是不利的，本发明可以实现现场操作实时处理。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例一的基本结构示意图；

图2是本发明实施例一的激光雷达八波束发射示意图；

图3是本发明实施例一的风场反演算法流程图；

图4是本发明实施例一的原始数据功率谱图；

图5(a)～图5(h)是本发明实施例一的八波束频移对比图；

图6是本发明实施例一反演得到的水平风矢量的风羽图；

图7是本发明实施例一反演得到的垂直风矢量的垂直风向图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例所有数据的获取都在符合法律法规和用户同意的基础上，对数据的合法应用。

本发明的目的是提供一种基于八波束风廓线相干测风激光雷达的原始功率谱实时数据分析及处理方法，采用1.55μm波段、脉冲宽度为200ns、重复频率为10KHz的全光纤单模激光器实时测量3km范围内大气三维风场的水平和垂直廓线。

实施例一

本实施例提供了基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法；

如图1所示，基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，包括：

种子源激光器产生线偏振光，线偏振光经过分束器后分为发射信号和本振信号，其中，发射信号经过声光调制器产生频移，调制成为脉冲光，脉冲光经过放大器的功率放大处理，经过环形器后由望远镜出射；

望远镜接收到风廓线激光雷达回波信号，风廓线激光雷达回波信号和本振信号共同输入到耦合器中，耦合器的输出结果经过平衡探测器转换为中频电信号，中频电信号被采集卡采样，对采样回波信号进行功率谱估计，通过脉冲累加平均，提取多普勒频移，对风场风速信息实现反演。

进一步地，线偏振光的频率为第一频率；声光调制器产生的频移为第二频率；风廓线激光雷达回波信号的频率为第三频率；其中，第三频率等于第一频率、第二频率和第四频率的求和结果；第四频率为大气风场产生的多普勒频移；中频电信号的频率为第二频率与第四频率的求和结果。

望远镜发射接收一体化。种子源激光器产生中心频率为f₀的线偏振光，经分束器后分为发射信号和本振信号，发射信号经声光调制器(AOM，acoustic optical modulator)产生f_m的频移，调制成为脉冲光，再由放大器进行功率放大，最后经环形器后由望远镜出射。由于多普勒效应，回波信号相较于出射激光在空间大气风场将会产生f_d的多普勒频移，此时望远镜接收到的后向散射回波信号的频率为f₀+f_m+f_d。在激光接收模块，回波信号与本振信号经过平衡探测器转换为频率为f_m+f_d的中频电信号，再经采集卡采样，将回波信号按照时间先后顺序，划分成很多连续的距离门，在数字处理电路部分对采样回波信号进行功率谱估计，通过脉冲累加平均，提取多普勒频移，反演风速信息。

进一步地，所述望远镜，设置在云台上，云台步进角为45°，云台每旋转完一圈将得到八个方向的回波信号。

进一步地，如图2所示，望远镜发射的信号的波束方向由方位角和仰角来定义，其中，八个方向的方位角分别为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°以及360°，扫描期间仰角设定为60°。

本系统应用速度方位显示(VAD，velocity azimuth display)扫描技术。VAD扫描技术是一种风场反演方法，可为系统的每次圆锥扫描提供水平和垂直风廓线。

进一步地，如图3所示，所述对风场风速信息实现反演，具体包括：

对回波信号，进行自适应降噪处理；

对降噪处理后的数据，按照距离分辨率划分若干个距离门；

对每个距离门的数据进行快速傅里叶变换将信号从时域变换到频域；从时域功率谱数据点变为频域功率谱数据点；

基于傅里叶变换结果，实现光谱叠加，绘制功率谱图；

对频域信号进行高斯拟合，识别单个径向单一距离门功率谱的峰值，利用峰值对应的横坐标X可以求出单个径向方向的风速，分别求出八个径向方向的风速；

使用正弦波拟合法，合成八个径向方向的风矢量，合成大气三维风速。

一次扫描期间每个径向方向共获得65536个功率谱数据点，其中1～14336个数据点为有效数据，14336点有效数据分为128个连续距离门，每个距离门有112个数据点，其余数据为白噪声数据。其中第一距离门的数据为噪声数据。第二和第三距离门的数据为镜像数据，镜像数据是由望远镜系统本身的反射和折射现象形成的。第4-128个距离门的数据为有效数据。

距离门表征了在距离上分辨两个不同物体的能力，也就是说远方两物体至少要间隔一个距离门的长度才能被雷达区分出来。距离门也可称作距离分辨率。

其中，ΔR为距离门长度，也叫做距离分辨率，c为光速，τ为脉冲宽度。脉冲宽度决定距离门的大小。

所述方法包括以多普勒频移原理、激光雷达后向散射原理、测风系统构造为理论依据，以VAD扫描技术和脉冲积累技术为依托。

通过云台旋转带动望远镜依次向高空发射八个不同方向的电磁波束，经信号处理后得到对应波束的回波信号功率谱，采用载噪比阈值法除受到污染的回波信号，以克服因个别波束受到干扰而对计算结果产生的影响，最后采用正弦拟合方法合成八个径向方向的风矢量，反演出大气三维风场。

载噪比是用来表示载波与载波噪音关系的标准测量尺度，通常记作CNR或者C/N(dB)。

载噪比阈值法：设置一个值，本系统中设为-18.2dB，当超过这个阈值识别为有用信号，当低于这个阈值识别为噪声信号。

进一步地，进入平衡探测器的有效信号功率P_S(R)为：

其中，R表示距离，P_S(R)表示有用信号功率，T_cop表示光学透过率，T_atm为大气双程透过率，β_π(R)表示距离R处的大气后向散射系数(m^-1sr^-1)，c为光速，τ为激光脉冲半高全宽(full width at half maximum)对应的时间，P_T表示输出激光脉冲峰值功率，λ为激光波长，I(R)为洛伦兹接收函数。

其中，大气双程透过率T_atm由下式计算：

T_atm＝exp(-2∫₀ ^Rα(x)dx) (2)

其中，R表示距离，α表示大气消光系数(m^-1)，x表示积分变量。

洛伦兹接收函数I(R)由下式计算:

其中，R表示距离，ΔR表示距离分辨率，R₀表示初始距离。

风廓线激光雷达回波信号中携带三部分频率成分，其一是激光器本身的频率f₀，其二是声光调制器调制频率f_m，其三是大气作用产生的多普勒频移f_d。

本发明采用相干探测技术，回波信号经过耦合器和平衡探测器会将激光器本身的频率滤除掉变为中频电信号，此时的回波信号携带的频率为f_m+f_d。

进一步地，根据多普勒频移原理，经过大气的作用望远镜接收到的回波信号较望远镜端发射信号会产生一个频移，频移与径向风速之间存在一个关系：

其中，f_d为多普勒频移，f_r为回波信号频率，f_t为出射激光频率，V_r为目标朝向雷达运动的径向速度，λ为激光波长。

通过检验回波信号相较于发射信号中的多普勒频移量，实现空间大气风场的有效测量。

风廓线相干测风激光雷达采用的频率调制V_m＝80MHz，在1550nm波长时，根据多普勒频移公式可得频率调制为80MHz时，能满足测量风速的范围为±62m/s。

图5(a)～图5(h)是经高斯拟合后第四个距离门对应的功率谱图，由图可以看出不同方向波束回波信号的幅值和回波信号最高峰值对应的频率存在差异。回波信号幅度表示回波信号的强弱，在一定的回波信号幅值下，对提取多普勒频移没有影响。

图4是本发明实施例一的原始数据功率谱图；图6是本发明实施例一反演得到的水平风矢量的风羽图；图7是本发明实施例一反演得到的垂直风矢量的垂直风向图。

风廓线相干测风激光雷达经过相干拍频解调之后，回波信号最高峰值对应频率之间的差异直接反应不同方向波束多普勒频移的大小，这个差异最终将会映射到不同方向波束径向风速的大小和方向。

八个方向的径向速度随方位角的变化趋势大致符合正弦波形状，故采用正弦拟合方法将速度方位显示(VAD)扫描得到的八个径向方向的风矢量合成空间大气三维风场。VAD扫描技术是一种风场反演方法，可为系统的每次圆锥扫描提供水平和垂直风廓线。

正弦波拟合原理：

V_r＝a+bcos(θ-θ_max) (5)

其中，V_r为目标朝向雷达运动的径向速度，常数a、b和θ_max分别为最适合VAD扫描的正弦曲线的偏移量、幅值和相移，θ为激光雷达波束的方位角。三维风矢量V由式(5)计算，其常数与式(4)相同:

其中，V表示三维风矢量，u,v表示两个正交的水平方向风分量，表示垂直方向的风分量。常数a、b和θ_max分别为最适合VAD扫描的正弦曲线的偏移量、幅值和相移。θ和

分别为激光雷达波束的方位角和仰角。

水平风向γ表示为:

其中，u,v表示两个正交的水平方向风分量。

本发明采用八波束相干测风原理，数字处理电路将八个波束的回波信号分隔成与发射脉冲宽度相匹配的距离门，经信号处理后每个波束都能得到对应的回波信号功率谱，采用一致性检查的方法剔除受到污染的回波信号，以克服因个别波束受到干扰而对计算结果产生的影响，因此相比三波束、五波束来说，八波束相干测风精度更高。

实施例二

本实施例提供了基于八波束风廓线激光雷达的风场反演系统；

基于八波束风廓线激光雷达的风场反演系统，包括：

依次连接的种子源激光器、分束器、声光调制器、放大器、环形器、耦合器、平衡探测器、采集卡和计算机终端；所述环形器还与望远镜连接；所述分束器还与耦合器连接；

其中，种子源激光器产生线偏振光，线偏振光经过分束器后分为发射信号和本振信号，其中，发射信号经过声光调制器产生频移，调制成为脉冲光，脉冲光经过放大器的功率放大处理，经过环形器后由望远镜出射；

望远镜接收到风廓线激光雷达回波信号，风廓线激光雷达回波信号和本振信号共同输入到耦合器中，耦合器的输出结果经过平衡探测器转换为中频电信号，中频电信号被采集卡采样，对采样回波信号进行功率谱估计，通过脉冲累加平均，提取多普勒频移，对风场风速信息实现反演。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，其特征是，包括：

种子源激光器产生线偏振光，线偏振光经过分束器后分为发射信号和本振信号，其中，发射信号经过声光调制器产生频移，调制成为脉冲光，脉冲光经过放大器的功率放大处理，经过环形器后由望远镜出射；

望远镜接收到风廓线激光雷达回波信号，风廓线激光雷达回波信号和本振信号共同输入到耦合器中，耦合器的输出结果经过平衡探测器转换为中频电信号，中频电信号被采集卡采样，对采样回波信号进行功率谱估计，通过脉冲累加平均，提取多普勒频移，对风场风速信息实现反演。

2.如权利要求1所述的基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，其特征是，线偏振光的频率为第一频率；声光调制器产生的频移为第二频率；风廓线激光雷达回波信号的频率为第三频率；其中，第三频率等于第一频率、第二频率和第四频率的求和结果；第四频率为大气风场产生的多普勒频移；中频电信号的频率为第二频率与第四频率的求和结果。

3.如权利要求1所述的基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，其特征是，所述望远镜，设置在云台上，云台步进角为45°，云台每旋转完一圈将得到八个方向的回波信号。

4.如权利要求3所述的基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，其特征是，望远镜发射的信号的波束方向由方位角和仰角来定义，其中，八个方向的方位角分别为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°以及360°，扫描期间仰角设定为60°。

5.如权利要求1所述的基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，其特征是，所述对风场风速信息实现反演，具体包括：

对回波信号，进行自适应降噪处理；

对降噪处理后的数据，按照距离分辨率划分若干个距离门；

对每个距离门的数据进行快速傅里叶变换将信号从时域变换到频域；从时域功率谱数据点变为频域功率谱数据点；

基于傅里叶变换结果，实现光谱叠加，绘制功率谱图；

对频域信号进行高斯拟合，识别单个径向单一距离门功率谱的峰值，利用峰值对应的横坐标X可以求出单个径向方向的风速，分别求出八个径向方向的风速；

使用正弦波拟合法，合成八个径向方向的风矢量，合成大气三维风速。

6.如权利要求1所述的基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，其特征是，进入平衡探测器的有效信号功率P_S(R)为：

其中，R表示距离，P_S(R)表示有用信号功率，T_cop表示光学透过率，T_atm为大气双程透过率，β_π(R)表示距离R处的大气后向散射系数，c为光速，τ为激光脉冲半高全宽对应的时间，P_T表示输出激光脉冲峰值功率，λ为激光波长，I(R)为洛伦兹接收函数。

7.如权利要求6所述的基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，其特征是，大气双程透过率T_atm由下式计算：

T_atm＝exp(-2∫₀ ^Rα(x)dx) (2)

其中，R表示距离，α表示大气消光系数，x表示积分变量。

8.如权利要求6所述的基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，其特征是，洛伦兹接收函数I(R)由下式计算：

其中，R表示距离，ΔR表示距离分辨率，R₀表示初始距离。

9.如权利要求1所述的基于八波束风廓线激光雷达的风场反演方法，其特征是，根据多普勒频移原理，经过大气的作用望远镜接收到的回波信号较望远镜端发射信号会产生一个频移，频移与径向风速之间存在一个关系：

其中，f_d为多普勒频移，f_r为回波信号频率，f_t为出射激光频率，V_r为目标朝向雷达运动的径向速度，λ为激光波长。

10.基于八波束风廓线激光雷达的风场反演系统，其特征是，包括：

依次连接的种子源激光器、分束器、声光调制器、放大器、环形器、耦合器、平衡探测器、采集卡和计算机终端；所述环形器还与望远镜连接；所述分束器还与耦合器连接；

其中，种子源激光器产生线偏振光，线偏振光经过分束器后分为发射信号和本振信号，其中，发射信号经过声光调制器产生频移，调制成为脉冲光，脉冲光经过放大器的功率放大处理，经过环形器后由望远镜出射；

望远镜接收到风廓线激光雷达回波信号，风廓线激光雷达回波信号和本振信号共同输入到耦合器中，耦合器的输出结果经过平衡探测器转换为中频电信号，中频电信号被采集卡采样，对采样回波信号进行功率谱估计，通过脉冲累加平均，提取多普勒频移，对风场风速信息实现反演。

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