基于激光后向散射的多光束風(fēng)場位移測量及弱信號相關(guān)檢測技術(shù)研究.pdf

1、精確的大氣風(fēng)場觀測對提高全球長期天氣預(yù)報(bào)和風(fēng)暴預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、檢測大氣污染、改進(jìn)氣候研究模型、提高航天航空的安全性等具有重大意義。傳統(tǒng)的多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)基于多普勒效應(yīng)來測量風(fēng)速。為克服多普勒激光測風(fēng)儀中反射回波相位畸變，對激光器的波長、單模工作模式和頻率穩(wěn)定度要求高、使用維護(hù)不便等不足，本文提出并研制了一種基于激光后向散射的多光束風(fēng)場位移測量法的激光測風(fēng)儀。該系統(tǒng)通過采集激光光束傳播路徑上氣溶膠團(tuán)散射回來的光信號強(qiáng)度，確定氣溶膠微粒通過

2、多束平行激光光束的時間來計(jì)算風(fēng)速。由于該系統(tǒng)測量的物理量是回波信號的強(qiáng)度，因此對激光源的單色性和頻率穩(wěn)定度無要求，系統(tǒng)可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，適用于低空風(fēng)力測量，具有很好的工程實(shí)用性。本文所做的主要工作為：
　　1.分析脈沖激光在風(fēng)場中的傳輸特性，完善了基于小擾動理論的多光束位移測風(fēng)理論，即根據(jù)激光后向散射回波信號間接測量氣溶膠微粒經(jīng)過等間距的多光束的時間來對風(fēng)速進(jìn)行測量；
　　2.研制了多光束風(fēng)場位移測風(fēng)儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激

3、光發(fā)射系統(tǒng)、回波檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理模塊和工作維護(hù)系統(tǒng)等組成。激光發(fā)射系統(tǒng)采用了20 Hz的YAG固體激光器作為激光源。為提高測量精度，利用光束角控制器和分束器后將激光脈沖分成三束。回波檢測系統(tǒng)主要包括四象限APD探測器、對數(shù)增益放大器、基于 FPGA的數(shù)字化儀、增益控制電路等。探測器和放大器直接影響著整個系統(tǒng)的測量精度。本系統(tǒng)采用低噪聲、寬帶寬、可變增益放大器芯片 AD603。同時，本設(shè)計(jì)采取對數(shù)增益放大器進(jìn)行級聯(lián)的方式對弱信號有效地放

4、大；
　　3.設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的高速數(shù)據(jù)采集和緩存電路，該電路主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC08200、FPGA芯片 EP2C8Q208C8和單片機(jī)系統(tǒng)C8051F120組成；其中，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)緩存和傳輸控制的 FPGA芯片，主要包括 PLL時鐘管理模塊、前級 FIFO緩沖模塊、后級雙口 RAM存儲模塊以及FIFO和RAM的讀寫控制模塊等，很好地完成了數(shù)據(jù)的緩存和異步讀取，并且極大簡化了 A/D芯片接口電路

5、結(jié)構(gòu)和印制電路板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。并在開發(fā)環(huán)境Quartus II6.1中對各個模塊成功完成了綜合及仿真。
　　4.設(shè)計(jì)了針對低信噪比弱散射回波信號的信號處理模塊。首先，為濾除接收機(jī)的熱噪聲、ADC轉(zhuǎn)換器的量化噪聲以及環(huán)境噪聲等對激光回波信號的干擾，本系統(tǒng)采用中位值濾波器和 FIR濾波器對采樣回波信號進(jìn)行濾波。其次，采用多脈沖互相關(guān)檢測法進(jìn)一步濾除噪聲信號。理論研究結(jié)果表明，經(jīng)過 N個信號進(jìn)行平均互相關(guān)后，信噪比將提高N1/2倍。

6、r>　　5.采用光學(xué)互相關(guān)方法對探測得到的回波信號進(jìn)行分析和計(jì)算得到風(fēng)速和風(fēng)向。其中包括峰值延時法、斜率法、頻率法、Briggs法和協(xié)方差法。最后進(jìn)行實(shí)地風(fēng)場測量實(shí)驗(yàn)，包括固定距離處的風(fēng)速實(shí)時測量，不同距離處的風(fēng)速測量，以及系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)一定角度時的風(fēng)速測量，從而全面檢測系統(tǒng)的測量精度。
　　6計(jì)算了系統(tǒng)的響應(yīng)時間和測量風(fēng)場的占空比。另外，通過變化環(huán)境溫度，得出了系統(tǒng)在40度以下均能夠保持很高的精度。當(dāng)系統(tǒng)工作于連續(xù)工作或者間隔工作狀