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激光测风雷达回波信号的研究

作　者: 王龙华
导　师: 姚勇
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 激光测风雷达多普勒三维风场相干探测信噪比
分类号: TN958.98
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

激光雷达是以激光波束为信息载体的雷达,不仅可以测距,还可以测速,并实现精确跟踪。探测回波信号的多普勒频移,可以计算出目标的运动速度。由于光波频率高于典型毫米波2-4个数量级,并且多普勒频移正比于载波频率,因此激光雷达测定目标的灵敏度比毫米波雷达高2-4个数量级。多普勒激光测风雷达的出现使对全球大气风场进行直接三维风场测量成为现实。本文在对多普勒激光测风雷达技术的发展动态进行深入分析与调研的基础上,研究了多普勒激光测风雷达的基本原理,提出了由光源为1.5μm波长的连续光激光器、声光调制器、光电探测器等组成的相干探测测风雷达系统。文章分析了系统各个部分的结构及选用的器件,包括发射端、大气传输信道、接收端及信号处理部分。着重研究了大气信道部分,提出大气信道分层理论,并由此建立模型结构。在系统模型及信道模型建立的基础上,文章进行了时域信号仿真,并得到相应的频域信号波形图,得到系统的信噪比并分析了各参数对信噪比的影响。时域信号仿真验证了系统原理的正确性,为实物系统搭建奠定了坚实的基础。最后文章根据前面的理论分析和仿真结果,选择系统关键器件,并对其性能参数如功率、线宽、增益等进行实验测定。选定器件后,搭建系统,进行了外场试验。成功探测到大气后向散射回波信号,得到试验结果。试验结果表明在1km左右的距离内可以明显测得大气径向风速,并且测风精度为0.5m/s,距离精度为17m左右。研究和试验结果表明,多普勒激光测风雷达系统方案正确,原理样机可行,具有“晴空”探测能力、高空间分辨率、高时间分辨率等特点。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 激光测风雷达国内外发展情况  9-12
    1.2.1 国外发展情况  9-10
    1.2.2 国内发展情况  10-12
  1.3 课题主要研究内容和论文结构安排  12-13
  1.4 本章小结  13-14
第2章激光雷达系统结构  14-28
  2.1 激光雷达的基本原理  14-16
    2.1.1 激光雷达的测风背景  14
    2.1.2 激光雷达的测风原理  14-16
  2.2 激光雷达系统结构  16-17
  2.3 信道模型  17-21
    2.3.1 信道模型  17-18
    2.3.2 信道中的信号表达  18-21
  2.4 信道信噪比和系统参数  21-27
    2.4.1 信噪比  21-23
    2.4.2 系统参数  23-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章系统的时域信号仿真  28-49
  3.1 在MATLAB 下的仿真  28-43
    3.1.1 激光器模块  30-31
    3.1.2 声光调制器模块  31-32
    3.1.3 大气信道模块  32-33
    3.1.4 光电探测器模块  33-34
    3.1.5 时域信号和频谱分析  34-43
  3.2 在OPTISYSTEM 下的仿真  43-48
    3.2.1 系统结构  43-44
    3.2.2 系统参数及器件参数  44-45
    3.2.3 仿真结果及分析  45-48
  3.3 本章小结  48-49
第4章实物实验及外场试验  49-64
  4.1 实验系统结构  49
  4.2 系统器件选择及实验测试  49-55
    4.2.1 激光器  50
    4.2.2 声光调制器AOM  50-51
    4.2.3 光放大器EDFA  51-53
    4.2.4 收发天线  53-54
    4.2.5 光电探测器  54-55
  4.3 算法实现  55-58
  4.4 外场试验及结果分析  58-62
    4.4.1 外场试验  58-60
    4.4.2 试验结果及分析  60-62
  4.5 本章小结  62-64
总结与展望  64-66
参考文献  66-71
致谢  71

激光测风雷达回波信号的研究

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