CN115267828A - 基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法及系统，相关方法，包括：向大气分时发射两类激光脉冲，并采用相干接收采集大气回波信号；利用长、短两种窗函数提取大气回波信号并计算时域互相关信号，并对所得互相关信号进行傅立叶变换获得频域信号；对两类激光脉冲的频域信号进行差分并多次测量平均，提取信号的多普勒频移进而计算径向风速。该方案采用差分相关脉冲技术，利用相关运算避免大气回波信号初相位随机性的影响，通过差分降低了等效散射体积，可以在不影响信噪比、不增大谱宽的前提下实现更高空间分辨率的风速测量。

Description

基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法及系统
技术领域
本发明涉及多普勒测风激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法及系统。
背景技术
风场分布是一项重要的大气观测参数，在天气预报、气候变化研究、航空航天和风力发电等领域中起到关键性作用。为实现进一步的定量化研究，需要对风场信息进行高空间分辨率的测量，获取米级甚至亚米级的风场分布。
利用激光雷达测量大气背散射信号的多普勒频移是一种常用的风速测量手段，具有测量精度高，实时性强等优势。根据对回波信号的探测方式不同，测风激光雷达可被分为直接探测和相干探测两种体制，采用相干探测的测风激光雷达在背景噪声抑制等方面具有较大优势，可以实现全天候的测量。传统的相干测风激光雷达结构如图1所示，通过对单脉冲回波信号的相干探测反演不同位置处的径向风速。具体过程为：激光器发射单频连续光输出至声光调制器和耦合器；声光调制器对连续光进行移频并将其调制成脉宽为T的脉冲光；脉冲放大器将光脉冲放大后经环形器送至望远镜照射大气；望远镜收集大气产生的连续回波信号，经环形器送至耦合器；耦合器将大气回波信号和激光器的连续光信号进行混合，输出至平衡探测器实现拍频；平衡探测器将光信号转换为电信号，输出至采集处理模块进行信号分析。
传统相干激光雷达的空间分辨率由发射信号的脉宽T决定，为实现更高空间分辨率的测量需要减小脉冲宽度。然而减小脉冲宽度会引发以下现象：1)脉冲频谱展宽导致频移提取误差增大；2)在一定的峰值功率下降低脉宽导致脉冲能量下降，使得回波信号信噪比降低；3)为避免回波信号频谱与本振频谱之间的串扰，需要提升脉冲频移量，进而提升对系统电子学带宽的要求。现有技术(RU193690U1)中通过拼接多次测量获取的时域信号提升了等效的频谱分辨率，但无法克服窄脉冲导致的频谱展宽问题，因而无法在不损失信噪比的情况下提升空间分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法及系统，适用于高空间分辨率的风场测量，可以在不影响信噪比的前提下提升径向风速测量的空间分辨率，克服现有技术的不足。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法，包括：
向大气分时发射两类激光脉冲，并采用相干接收采集大气回波信号；
利用长、短两种窗函数提取大气回波信号并计算时域互相关信号；
对两类激光脉冲各自的时域互相关信号进行傅立叶变换并进行差分，获得频域信号，并通过多次测量平均，提取信号的多普勒频移进而计算径向风速。
一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风系统，用于实现前述的方法，该系统包括：
激光产生模块：用于产生频率稳定的连续光信号并进行分束，激光产生模块的输出端连接调制模块的输入端与相干接收模块的第一输入端；
调制模块：用于对激光产生模块发出的连续光进行调制，产生两类相位连续的激光脉冲，其输出端连接放大模块的输入端；
放大模块：用于放大调制模块发出的两类激光脉冲信号，其输出端连接收发模块的第一输入端；
收发模块：用于将两类激光脉冲信号通过第一输出端发射至大气，同时通过第二输入端接收大气回波信号并通过第二输出端传送至相干接收模块的第二输入端；
相干接收模块：用于将来自收发模块的大气回波信号与本振光进行相干叠加并转换为电信号，其输出端连接处理模块的输入端；其中，所述本振光为与激光产生模块发出的连续光信号具有fIF的频差的连续光；
处理模块：用于利用长、短两种窗函数提取大气回波信号并计算时域互相关信号，并对所得互相关信号进行傅立叶变换获得频域信号；对两类激光脉冲的频谱进行差分并多次测量平均，提取多普勒频移，从而得到风速。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用差分相关脉冲技术，利用相关运算避免大气回波信号初相位随机性的影响，通过差分降低了等效散射体积，可以在不影响信噪比、不增大谱宽的前提下实现更高空间分辨率的风速测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明背景技术提供的传统相干测风激光雷达原理框图；
图2为本发明实施例提供的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风系统的原理框图；
图4为本发明实施例提供的系统中激光产生模块的结构图；
图5为本发明实施例提供的系统中调制模块的结构图；
图6为本发明实施例提供的系统中收发模块的结构图；
图7为本发明实施例提供的系统中相干接收模块的结构图；
图8为本发明实施例提供的发射脉冲光电场波形的示意图，其中：(a)部分为脉冲1的波形，(b)部分为脉冲2的波形；
图9为本发明实施例提供的窗函数的示意图，其中：(a)部分为长窗函数的图像，(b)部分为短窗函数的图像；
图10为本发明实施例提供的风速反演结果与实际值的对比图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法，如图2所示，其主要包括：向大气分时发射两类激光脉冲，并采用相干接收采集大气回波信号；利用长、短两种窗函数提取大气回波信号并计算时域互相关信号；对两类激光脉冲各自的时域互相关信号进行傅立叶变换并进行差分，获得频域信号，并通过多次测量平均，提取信号的多普勒频移进而计算径向风速。该方法适用于高空间分辨率的风场测量，采用相关运算避免回波信号初相位随机性的影响，通过差分降低了等效散射体积，以便实现更高空间分辨率的风速测量。具体来说，上述方法的具体步骤如下：
步骤S1：产生两类激光脉冲，其光电场分别为E1(t)与E2(t)，对应脉冲1和脉冲2。
本发明实施例中，光电场E1(t)与E2(t)可以表示为：
E1(t)＝Ec(t)+Ed1(t)
E2(t)＝Ec(t)+Ed2(t)
其中，Ec(t)为在时间上被限制在TL内的任意函数，Ed1(t)为时间上被限制在TS内的任意函数，Ec(t)与Ed1(t)时间上相邻而不重叠，Ed2(t)设置为-Ed1(t)或0；TL和TS为设定的脉冲宽度，是时间参数。
步骤S2：分别将两类光脉冲发射至大气，其发射时间间隔不小于2倍最大探测距离与光速的比值。
步骤S3：采用相干探测的方式接收两类光脉冲所对应的大气回波信号S1(t)与S2(t)。
步骤S4：分别采用长窗函数WL(t-t0)和短窗函数WS(t-t0)对大气回波信号S1(t)与S2(t)进行截取，其中，t表示当前时刻，t0时刻与当前所测风场的距离相对应，t0满足t0＝2z/c，z为当前所测风场的距离，c为大气中的光速，所得结果分别记为：
Figure BDA0003047066540000041
其中，长窗函数WL(t-t0)和短窗函数WS(t-t0)分别为宽度为TL和TS的矩形窗且在时间上相邻而不重叠。本领域技术人员可以理解，长、短窗函数属于相对概念，两个窗函数中较长者称为长窗函数，较短者称为短窗函数。
步骤S5：分别对前述步骤S4获得的中间变量SL1和SS1、SL2和SS2进行互相关运算，获得互相关信号为：
Figure BDA0003047066540000042
其中，τ为进行互相关运算时两个函数之间的时间差。
步骤S6：对两个互相关信号进行快速傅立叶变换并相减，获取频域信号：
Sp(ν；t0)＝FFTτ{XC1(τ,t0)}-FFTτ{XC2(τ,t0)}；
其中，Sp(ν；t0)表示获得的频域信号，FFTτ表示傅立叶变换，XC1(τ,t0)与XC2(τ,t0)表示两类激光脉冲的互相关信号。
优选的，可以将傅立叶变换采用等效形式进行，表示为：
FFTτ{XCi(τ,t0)}＝<FFTt{SLi(t,t0)}·FFTt{SSi(t,t0)}*>
其中，i＝1，2，代表两类光脉冲对应的信号；*符号为取复数共轭运算。
步骤S7：改变t0，重复步骤S4至步骤S6获取不同位置处的频域信号。
步骤S8：重复步骤S1至步骤S7，对步骤S7所获得的频域信号进行多次平均，提取信号的多普勒频移进而计算径向风速。
具体的，多普勒频移可通过加权平均数计算频谱重心的方式或通过函数拟合的方式实现，所得多普勒频移fd与径向风速v的关系满足：
Figure BDA0003047066540000051
式中，λ为发射激光的波长，fIF为步骤S3所述相干探测中本振光与激光产生模块发出的光信号之间的频差。
本发明另一实施例还提供一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风系统，该系统主要用于实现前述实施例提供的方法，如图3所示，该系统主要包括：
激光产生模块：用于产生频率稳定的连续光信号并进行分束，激光产生模块的输出端连接调制模块的输入端与相干接收模块的第一输入端；
调制模块：用于对激光产生模块发出的连续光进行调制，产生两类相位连续的激光脉冲，其输出端连接放大模块的输入端；
放大模块：用于放大调制模块发出的两类激光脉冲信号，其输出端连接收发模块的第一输入端；
收发模块：用于将两类激光脉冲信号通过第一输出端发射至大气，同时通过第二输入端接收大气回波信号并通过第二输出端传送至相干接收模块的第二输入端；
相干接收模块：用于将来自收发模块的大气回波信号与本振光进行相干叠加并转换为电信号，其输出端连接处理模块的输入端；其中，所述本振光为与激光产生模块发出的连续光信号具有fIF(大小可以自行设置)的频差的连续光；
处理模块：用于利用长、短两种窗函数提取大气回波信号并计算时域互相关信号，并对所得互相关信号进行傅立叶变换获得频域信号；对两类激光脉冲的频谱进行差分并多次测量平均，提取多普勒频移，从而得到风速。
如图4所示，激光产生模块主要包括：用于产生连续光信号的激光器、以及用于对连续光信号进行分束的分束器。
如图5所示，所述调制模块主要包括：依次连接的强度调制器和相位调制器。所述强度调制器为声光调制器或电光调制器，所述相位调制器为电光调制器。
如图6所示，所述收发模块包括依次连接的环形器和望远镜；所述收发模块的第一输入端为环形器的输入端，第一输出端为望远镜的输出端，第二输入端为望远镜的输入端，第二输出端为环形器的输出端。
如图7所示，所述相干接收模块包括依次连接的：声光移频器、光纤合束器、平衡探测器及模数转换器；其中，所述相干接收模块的第一输入端为声光移频器的输入端，第二输出端为光纤合束器的一个输入端。
下面结合一个具体示例对本发明上述方案进行说明，值得注意的是，下述示例中所涉及的参数数值均为举例，并非构成限制。
本示例中，发射脉冲光电场波形如图8所示，(a)部分与(b)部分各自表示脉冲1与脉冲2的波形，具体参数为：TL＝200ns，Ts＝40ns，在脉冲2中选择Ed2＝0。在发射端，以100μs的间隔交替发射脉冲1与脉冲2，每秒发射10000个脉冲，其中脉冲1与脉冲2各5000个。在相干接收模块，设定声光移频器的频移量为40MHz，模数转换器的采样率为500M采样每秒，在每个脉冲发出的同时开始进行10μs的采样并传送至处理模块。在处理模块中所使用的长窗函数WL与短窗函数WS如图9的(a)和(b)两个部分所示，其中TL＝200ns，Ts＝40ns。处理过程具体实施如下：
1)在发射波长为1550nm的光脉冲1同时，开始采集10μs内的大气回波数据S1(tn)共包括10μs×500MSps＝5000个数据点。
2)用窗函数WL(t)和WS(t)分别截取S1(tn)，获取100个和40个数据点并各自通过补零扩充至512点，所得结果记为SL1(tn,k),SS1(tn,k)，其中k＝1；
3)分别计算SL1(tn,k),SS1(tn,k)的快速傅立叶变换并相乘得到：
Sp1(m,k)＝FFT{SL1(tn,k)}·FFT{SS1(tn,k)}*，(m＝1,...,512,k＝1)
其中，其中m代表了离散频率点，k代表不同位置的回波信号谱。
4)将窗函数WL(t)和WS(t)向后移动20ns(即10个采样点)的整数倍，直至完成对所有S1(tn)的截取，重复步骤(2)-(3)对k进行遍历，得到结果Sp1(m,k),k＝1,2,…,491；
5)发射脉冲2，重复步骤(1)-(4)，得到结果Sp2(m,k),k＝1,2,…,491
6)计算两种脉冲对应回波信号的差分功率谱，即：
PSD(m,k)＝|Sp1(m,k)-Sp2(m,k)|2，(m＝1,...,512,k＝1,2,…,491)
7)在1s内重复过程(1)-(6)共计5000次，对所得的差分功率谱进行平均得到<PSD(m,k)>。
8)以<PSD(m,k)>为权重对[30,50]内的m进行加权平均计算，获取其加权平均值M(k)，则反演得到的风速径向为：
Figure BDA0003047066540000071
采用本发明进行的风速测量模拟结果如图10所示。根据图中风速反演结果与实际值的对比可见，此实施方式可以对风速进行有效测量，且空间分辨率达到6m。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法，其特征在于，包括：
向大气分时发射两类激光脉冲，并采用相干接收采集大气回波信号；
利用长、短两种窗函数提取大气回波信号并计算时域互相关信号；
对两类激光脉冲各自的时域互相关信号进行傅立叶变换并进行差分，获得频域信号，并通过多次测量平均，提取信号的多普勒频移进而计算径向风速。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法，其特征在于，向大气分时发射的两类激光脉冲的光电场分别为E1(t)与E2(t)，表示为：
E1(t)＝Ec(t)+Ed1(t)
E2(t)＝Ec(t)+Ed2(t)
其中，Ec(t)为在时间上被限制在TL内的任意函数，Ed1(t)为时间上被限制在TS内的任意函数，Ec(t)与Ed1(t)时间上相邻而不重叠，Ed2(t)设置为-Ed1(t)或0；TL和TS为设定的脉冲宽度；
两类激光脉冲的发射时间间隔不小于2倍最大探测距离与光速的比值。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法，其特征在于，长、短两种窗函数各自记为WL(t-t0)、WS(t-t0)，其中，WL(t-t0)与WS(t-t0)分别为宽度为TL和TS的矩形窗且在时间上相邻而不重叠，TL和TS为设定的脉冲宽度。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法，其特征在于，所述利用长、短两种窗函数提取大气回波信号并计算时域互相关信号包括：
分别利用采用长窗函数WL(t-t0)和短窗函数WS(t-t0)对大气回波信号S1(t)与S2(t)进行截取，其中，t表示当前时刻，t0时刻与当前所测风场的距离相对应，t0满足t0＝2z/c，z为当前所测风场的距离，c为大气中的光速，所得结果分别记为：
SL1(t,t0)＝S1(t)WL(t-t0)
SS1(t,t0)＝S1(t)WS(t-t0)
SL2(t,t0)＝S2(t)WL(t-t0)
SS2(t,t0)＝S2(t)WS(t-t0)
分别对所得结果进行互相关运算，获得互相关信号为：
XC1(τ,t0)＝∫SL1(t,t0)SS1(t+τ,t0)dt
XC2(τ,t0)＝∫SL2(t,t0)SS2(t+τ,t0)dt
其中，τ为进行互相关运算时两个函数之间的时间差。
5.根据权利要求4所述的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法，其特征在于，对两类激光脉冲各自的时域互相关信号进行傅立叶变换并进行差分，获得频域信号的公式为：
Sp(ν；t0)＝FFTτ{XC1(τ,t0)}-FFTτ{XC2(τ,t0)}
其中，Sp(ν；t0)表示获得的频域信号，FFTτ表示傅立叶变换，XC1(τ,t0)与XC2(τ,t0)表示两类激光脉冲的互相关信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风方法，其特征在于，将傅立叶变换采用等效形式进行，表示为：
FFTτ{XCi(τ,t0)}＝<FFTt{SLi(t,t0)}·FFTt{SSi(t,t0)}*>
其中，i＝1，2，代表两类光脉冲对应的信号；*符号为取复数共轭运算。
7.一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风系统，其特征在于，用于实现权利要求1～6任一项所述的方法，该系统包括：
激光产生模块：用于产生频率稳定的连续光信号并进行分束，激光产生模块的输出端连接调制模块的输入端与相干接收模块的第一输入端；
调制模块：用于对激光产生模块发出的连续光进行调制，产生两类相位连续的激光脉冲，其输出端连接放大模块的输入端；
放大模块：用于放大调制模块发出的两类激光脉冲信号，其输出端连接收发模块的第一输入端；
收发模块：用于将两类激光脉冲信号通过第一输出端发射至大气，同时通过第二输入端接收大气回波信号并通过第二输出端传送至相干接收模块的第二输入端；
相干接收模块：用于将来自收发模块的大气回波信号与本振光进行相干叠加并转换为电信号，其输出端连接处理模块的输入端；其中，所述本振光为与激光产生模块发出的连续光信号具有fIF的频差的连续光；
处理模块：用于利用长、短两种窗函数提取大气回波信号并计算时域互相关信号，并对所得互相关信号进行傅立叶变换获得频域信号；对两类激光脉冲的频谱进行差分并多次测量平均，提取多普勒频移，从而得到风速。
8.根据权利要求7所述的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风系统，其特征在于，所述调制模块包括：依次连接的强度调制器和相位调制器。
9.根据权利要求7所述的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风系统，其特征在于，所述收发模块包括依次连接的环形器和望远镜；所述收发模块的第一输入端为环形器的输入端，第一输出端为望远镜的输出端，第二输入端为望远镜的输入端，第二输出端为环形器的输出端。
10.根据权利要求7所述的一种基于差分相关脉冲的激光雷达测风系统，其特征在于，所述相干接收模块包括依次连接的：声光移频器、光纤合束器、平衡探测器及模数转换器；其中，所述相干接收模块的第一输入端为声光移频器的输入端，第二输出端为光纤合束器的一个输入端。
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