相干激光测风雷达大气探测方法实验研究

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1、硕士学位论文相干激光测风雷达大气探测方法实验研究EXPERIMENTALRESEARCHONATMOSPHERICPROBINGUSINGCOHERENTDOPPLERLIDAR邢晓晴哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TN958.98学校代码：10213国际图书分类号：621.391.6密级：公开工学硕士学位论文相干激光测风雷达大气探测方法实验研究硕士研究生：邢晓晴导师：陆威副教授申请学位：工学硕士学科：物理电子学所在单位：航天学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedI

2、ndex:TN958.98U.D.C:621.391.6DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringEXPERIMENTALRESEARCHONATMOSPHERICPROBINGUSINGCOHERENTDOPPLERLIDARCandidate：XingXiaoqingSupervisor：Associate-Prof.LuWeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PhysicalElectron

3、icsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要相干激光测风雷达具有较高的空间角分辨率与速度分辨率，可有效探测晴空条件下的低空风场信息，具有重要的科研与社会意义。本文主要对相干激光测风雷达的大气探测方法进行研究。首先，对相干激光测风雷达国内外的研究进展进行详尽的综述与分析。通过对国内外相干激光测风雷达发

4、展的分析可知，1.55μm相干激光雷达是目前最具发展空间与使用价值的测风雷达。针对目前1.55μm相干激光测风雷达作用距离有限的问题，提出通过相干积累的方法提高接收信号的信噪比，结合非相干积累提高接收信号的探测概率，从而提高系统探测性能的想法。其次，详述了相干激光测风雷达的基本探测理论。针对弱信号接收，介绍了回波信号的相干积累与非相干积累原理和方法。激光雷达回波信号的速度信息以多普勒频移的形式表示，因此，对傅里叶经典谱分析进行了论述，内容主要有信号与噪声的傅里叶变换形式、傅里叶变换对信噪比的提高以及频谱泄漏的相关理

5、论等。再次，为了对相干激光测风雷达的测速能力进行评估，结合国内外雷达速度检测方法的分析对比，提出激光雷达测速能力检测实验方案。建立以变频调速电机为核心的测速性能检测装置，并选取最大似然离散谱峰值估计的方法对回波信号进行频域估计。针对雷达系统测速范围确定电机转速，进行了16组相干激光测风雷达测速实验。由于回波信号较强，其回波信号无需进行积累，因此对回波信号直接进行频谱估计。将电机转速与系统测速结果进行对比，分析系统测速精度，得到测速误差的均方根为0.26m/s。同时，对硬目标影响激光信号的位相进行分析，说明回波信号无

6、法进行相干积累，并对其原因进行分析。最后，开展激光测风装置外场实验研究。分别采用光纤光环形器与空间光环形器，对500m固定目标回波信号进行相干积累，有效地将回波信号信噪比提升20dB，初步验证了相干激光测风信号相干积累的可行性；对比分析光纤光环形器与空间光环形器的优缺点，通过实验验证光纤光环形器对信号相干积累的限制；详细测定激光器种子源的拖尾与本底噪声功率，对大气风场进行探测，并在频域上对雷达回波信号进行修正。通过对比本底噪声，检测到硬目标附近较强的剪切风风场频域信息，定性验证系统对大气风场的频域响应。关键词：相干

7、激光测风雷达；相干积累；信噪比；光纤光环行器-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractCoherentDopplerLidarhasimportantscientificandsocialsignificanceforitshighspacialresolutionandspeedresolutionandtheabilitytodetectlow-altitudeatmosphericwindfieldunderclearskyconditions.Thispaperfocusesonthemethod

8、ofCoherentDopplerLidaratmosphericdetectionandcanbedividedintofourparts.First,theresearchprocessofdomesticandinternationalCoherentDopplerLidarisdiscussedindetail.Throughtheanalysiso