小型激光测风雷达信号处理器研制

发布时间：2020-04-12 16:01

【摘要】：相干激光测风雷达以气溶胶与空气分子为探测目标,通过向大气发射激光脉冲,提取径向多普勒速度并反演风场。激光测风雷达工作于晴空条件下,可与天气雷达协同工作,共同实现雨天和晴天的大气风场监测。与微波波段的风廓线雷达相比,其精度高、信号处理方式简单、体积小、扫描方式灵活,在大气风场探测领域有着广泛的应用前景。相干激光测风雷达的谱分析方式不同于微波雷达的脉冲对处理,其通过对单次脉冲回波按距离分段做DFT实现谱分析。其频谱分辨率与单次DFT分析点数成正比,按脉冲宽度对回波信号分段(距离库)做谱分析得出的频谱分辨率不能满足实际需求,提高频谱分辨率必须增加单次DFT分析点数,但距离分辨率随之降低。因此,激光雷达的谱分析面临着频谱分辨率与距离分辨率相互制约的矛盾。基于这一矛盾,本文采用时域滑窗的谱分析方式,在提高频谱分辨率的同时兼顾距离分辨率。本文分析了相干激光测风雷达系统原理及回波信号处理方法。针对激光回波信号较弱的特点,采用谱积累方法提高频谱检测能力,并通过Matlab仿真验证。提出了信号处理器的FPGA实现方案。实现了中频信号的AD采样、谱分析、谱积累、千兆网传输等功能。在此基础上,采用双FFT核延时并联的方式实现了窗宽256点、单次滑动128点的滑窗谱分析,将距离分辨率由96m提升至48m。完成了信号处理器的性能分析测试。用噪声法与信噪比法分别测试了有效位(ENOB),噪声法测得ENOB为12.28位。针对信噪比法,根据两组不同输入信号幅度的SNR值联合求解,消除了信号源的影响,将ENOB测试结果由9.7位提升至11.8位。根据信噪比法ENOB结果与FFT积累增益理论计算的动态范围为96.8dB,最小探测功率为-85.97dBm。衰减器实测的最小探测功率介于-80dBm至-90dBm之间,与理论结果吻合。最后,结合WindAnalyzer-50H小型激光雷达平台进行了测风实验。实验结果显示,相反方位角的多普勒速度线以零速度线(80MHz)呈左右对称,信号处理器能实现相干激光测风雷达的中频信号处理。
【图文】：

美国WindTracer激光雷达

法国LEOSPHERE公司WINDCUBE系列激光雷达
【学位授予单位】：成都信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P415.2

【参考文献】

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本文编号：2624910