激光雷达信号与数据处理(6)

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1、激光雷达技术（6）信号处理（以激光测风雷达为例）信号处理的目的和要求激光雷达气象回波信号特点：夹杂在各种杂波中的强度很弱、脉动很强、语宽较宽的随机信号。这种信号的特点决定了雷达信号处理是从各种杂波中提取微弱有用信号，并使有用信号具有统计平均意义的过程。提高微弱信号检测能力、减小脉动和进行质量控制。主要措施分别是相干积分、谱平均，以及噪声抑制与杂波分离。相干积分又称为相干积累或相参积累。相干积分在时域进行，在信号保持相干的条件下，对一定数量的脉冲回波信号进行平均处理，所以相干积分是时域平均过程。相干积分的主要目的是为了提高信噪比，使信号电平高于平均

2、噪声电平，从而使雷达接收机能够检测到有用的微弱信号。频谱分析一般采用FFT算法计算谱密度函数．并由谱密度函数求算各阶统计矩。为了抑制湍流作用造成的信号随机沸落，使谱密度数据更只代表性，需要对多次获取的话密度函数进行谱平均。谱平均在频域进行，属于非相干积分。质量控制方法主要有滤波以及谱线识别与分离技术。对于地物一类的杂波，一般采用滤波或在FFT时加“窗函数”等方法进行抑制。对于随机干扰，一般需要利用小波(waveld)分析技术，对小被变换后出现的虚假错误语线进行识别与去陈接收信号流程雷达回波信号被天线接收后送至接收机。为了提高雷达系统的动态范围,目

3、前大部分采用数字中频接收机。接收信号经混频后由射频信号变成中频信号，然后对中频信号进行A／D变换，变成数字中频信号送入数字中频接收机。数字中频信号分两路，分别与相位相差号的两路本娠信号进行混频(又称为鉴相)，得到正交I，Q两路信号。I．Q信号经过取样、滤波等处理后送至信号处理单元。距离库的划分为了获得距离(高度)信息，在每次脉冲发射后的接收期间，需要进行距离库的划分，距离库也称为数据库或取样体积。距离库的划分是利用距离门电路对连续的回波信号以脉冲宽度?为时间间隔进行采样。信号处理针对距离库进行．对每个距离库的多次取样进行处理，从中提取表征取样体积

4、散射强度与运功速度等信息。正交I，Q信号激光雷达的发射信号，一般是等幅、单色(频谱很窄)脉冲波．称为载波，可以表示为其中a是幅度。0是载波频率。载波在传杨过程中受到湍流大气的散射。散射过程可以看做是对雷达载波的调制．使载波幅度和频率都发生了变化。回波信号以复函数形式可以表示为是针对散射体的积分结果，是载波的包络信号，包含散射体的强度和速度信息该式可以改写成如下形式：I，Q信号，分别是包络函数的余弦分量和正弦分量。I，Q信号的相位相差/2。I，Q信号与气象回波信号的振幅和相位的关系为信号处理针对的是距离库，处理的对象是从每个距离库提取的I，Q信

5、号。各种信息都通过对I，Q信号的处理得到，I，Q信号成为风廓线雷达信号处理单元的输入信号。在信号处理单元，I，Q信号被用于谱短参数等基础数据的计算。信号处理步骤与基础数据计算在五个基础数据中，功率诺密度函数更为基础。回波功率、多普勒频移、多普勒谱宽和信噪比的计算均由功率谱密度函数导出。另外．在基础数据的计算过程中，还需要确定平均噪声功率。信号处理步骡按处理的先后次序，信号处理需要经过以下几个步骤：相干积分(时城平均)谱变换谱平均(频域平均)谱矩参数估计相干积分每次脉冲后的回波信号取样,看上去犹如杂乱无章的噪声信号。经过多次的相干积分处理，倍噪比得

6、到有效提高，有用的气象信号显露出来。平均(累积)次数称为相干积分数，记为NCI(numberofcoherentintegrations)。相干积分对于微弱信号的提取起着非常重要的作用，其原理将在后文详细介绍。谱变换如果只提取回波强度信息，则无需对回波信号进行谱分析和谱变换。为了在获取回波强度信息的同时得到速度信息，需要对相干积分后的时域信号进行谱分析。通过谱变换将时域信号变为频域信号在频域对信号进行研究．不但可以得到回波强度，还可以得到速度以及速度谱宽。激光测风雷达通常采用快速博里叶变换(FFT)方法对相干积分后得到的数据进行频率变换。样本数一

7、般取2n个(n为整数)。用于FFT的数据个数称为谱变换点数(简称谱点数)，记为NSP(numberofspectralpoints)。若以s(t)表示回波的电压信号，以F(f)表示s(t)的傅里叶变换，称F(f)为s(t)的频谱函数，那么，频谱函数的模F(f)是s(t)振幅的频谱。根据伯塞伐尔(PaMml)等式：显然，S(f)具有能量密度的意义，称为功率谱密度函数。它反映了回波信号能量在频率上的分布情况。谱平均相干积分后，信噪比得到提高。对相干积分后的数据序列进行谱分析后，得到功率谱密度。经过一次FR处理，就得到了一次功率谱密度结果。因为气象

8、目标存在较强的起伏现象，所以一次FFT得到的功率谱具有较强的脉动性。为了减小功率谱密度的脉动．使之变得平稳，需要对若干次诺分析得到的功率