小型能見度激光雷達系統(tǒng)設計和反演算法研究.pdf

1、能見度反映大氣的光學狀態(tài)并預示天氣變化，它不僅是氣象觀測的重要項目，在海陸空交通和軍事領域也都起重要作用。激光雷達因其波長短、高時空分辨率和高探測靈敏度等優(yōu)勢，成為探測大氣能見度的新型工具。 本文旨在利用自行研制的小型激光雷達實現(xiàn)能見度的準確探測。首先基于米散射原理對該系統(tǒng)基本結構進行設計。詳細討論了重要器件的選擇和參數(shù)設定、系統(tǒng)裝校和接收信號的校準過程，重點反演了本系統(tǒng)的重疊因子。然后詳細分析了激光束發(fā)散角和濾光片效率等關鍵參

2、數(shù)，及系統(tǒng)內(nèi)外部噪聲對回波信號的影響。 由于激光雷達測量能見度的關鍵是消光系數(shù)的準確求解，所以本文主要對大氣消光系數(shù)的反演算法和精度的提高做了詳細的研究。為了實現(xiàn)本系統(tǒng)的實時準確探測，基于Klett算法通過分析回波信號差分特征并結合信噪比，提出一種新的消光系數(shù)邊界值σ(rm)和全程水平消光系數(shù)的自動求解算法，與傳統(tǒng)算法和迭代擴展自動算法的仿真結果比較中說明此改進算法具有較好的反演結果。對遠場區(qū)域反演誤差較大的情況，通過對遠場回波

3、信號進行最小二乘擬合再反演的改進方法實現(xiàn)了對噪聲的有效抑制。針對大氣多次散射導致消光系數(shù)難以測準的問題，通過大氣建模，確定狀態(tài)向量、量測向量和相應噪聲陣，將擴展卡爾曼濾波應用于消光系數(shù)反演中。通過與Klett算法的仿真結果對比，證明該方法能有效提高探測精度。對于斜程能見度的探測，采用Fernald方法進行相應的數(shù)據(jù)處理。 最后，實現(xiàn)了部分改進算法的軟件設計，并給出了本系統(tǒng)的水平和斜程能見度探測結果以及相應的外場實驗結果，驗證了本