【摘要】：目前激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)是國(guó)際民航組織確認(rèn)的唯一具有晴空測(cè)風(fēng)能力的遙測(cè)手段。隨著光通信技術(shù)的發(fā)展,1.5μm相干激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展趨于成熟,使得1.5μm的激光雷達(dá)逐漸成為各國(guó)研究熱點(diǎn)。由于1.5μm相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)使用光纖作為信號(hào)的傳輸介質(zhì),并且采用全光纖激光器作為光源,使得雷達(dá)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以小型化和工程化。但是使用單頻全光纖激光器作為1.5μm的激光雷達(dá)光源,導(dǎo)致該波段的激光雷達(dá)發(fā)射脈沖能量比較低,限制了1.5μm的相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的探測(cè)距離,為此本文對(duì)1.5μm相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)提高信噪比的探測(cè)方法進(jìn)行了研究。首先,對(duì)相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。針對(duì)1.5μm相干激光雷達(dá)發(fā)射單脈沖能量低的問(wèn)題,目前的解決方法是采用鉺、鐿共摻的玻璃為介質(zhì)的放大器來(lái)提高發(fā)射信號(hào)的單脈沖能量。這種解決方法放棄了雷達(dá)全光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。因此,本文為了保留1.5μm相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)全光纖結(jié)構(gòu),提出了對(duì)激光雷達(dá)信號(hào)使用相參積累方法來(lái)提高回波信號(hào)的信噪比的方法。其次,提出了實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)信號(hào)相參積累的方案,并闡述了激光雷達(dá)信號(hào)相參積累的相關(guān)理論。由于相參積累方法要求信號(hào)的頻率和位相具有相參性,而本套設(shè)備的發(fā)射信號(hào)帶有初位相,為了能夠消除發(fā)射信號(hào)間的位相差,本文研究了實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)信號(hào)相參積累的方案。方案中包括:鑒相模塊和位相對(duì)齊模塊兩個(gè)部分,鑒相模塊對(duì)激光脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)字鑒相,位相對(duì)齊模塊根據(jù)數(shù)字鑒相所得位相值對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行位相對(duì)齊和時(shí)域積累。根據(jù)所提出的激光雷達(dá)信號(hào)的研究方案,在MATLAB中建立了激光雷達(dá)信號(hào)處理的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。然后,提出了鑒相模塊的研究方案,并完成了鑒相模塊的研究。利用仿真平臺(tái),分析了兩種獲取鑒相信號(hào)的方法,確定改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備方案,以此獲取鑒相信號(hào),并完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn);利用仿真平臺(tái)對(duì)數(shù)字正交混頻方法進(jìn)行了仿真分析,正交混頻所求得位相的鑒相精度在秒的數(shù)量級(jí);利用仿真平臺(tái)對(duì)IIR和FIR的幾種典型濾波器進(jìn)行了對(duì)比分析,選取了FIR切比雪夫等波紋法設(shè)計(jì)的低通濾波器作為正交混頻中所使用的濾波器,并對(duì)濾波器的幅頻參數(shù)進(jìn)行了研究,使濾波器具有陡降的截止特性和線性相位特性;利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的真實(shí)鑒相信號(hào)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字鑒相。最后,提出了位相對(duì)齊模塊的研究方案,并完成了位相對(duì)齊模塊的研究。方案中包括過(guò)采樣位相對(duì)齊模塊和插值再離散位相對(duì)齊模塊,其中,過(guò)采樣位相對(duì)齊模塊是對(duì)高采樣率采集獲得的激光回波脈沖串直接移動(dòng)進(jìn)行位相對(duì)齊和時(shí)域積累,插值再離散位相對(duì)齊模塊是對(duì)滿(mǎn)足采樣定理的相對(duì)較低的采樣率獲得的激光回波脈沖串進(jìn)行插值,將激光回波信號(hào)變?yōu)檫B續(xù)信號(hào),再將連續(xù)信號(hào)離散為離散信號(hào)后進(jìn)行位相對(duì)齊和時(shí)域積累。過(guò)采樣位相對(duì)齊模塊原理簡(jiǎn)單,但是對(duì)A/D要求高,數(shù)據(jù)量比較大;而插值再離散位相對(duì)齊模塊可以減少采集的數(shù)據(jù)量,適合工程上使用。完成了插值函數(shù)對(duì)原始信號(hào)的擬合精度對(duì)相參積累性能影響的研究。通過(guò)所建立的仿真平臺(tái),對(duì)比了sinc插值、Lagrange插值、三次樣條插值和切比雪夫函數(shù)四種不同的插值函數(shù)對(duì)單脈沖信號(hào)位相和頻譜造成的影響以及相參積累后的信號(hào)位相和頻譜造成的影響,最終選取了三次樣條作為插值函數(shù);通過(guò)所建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別完成了兩種位相對(duì)齊模塊對(duì)于真實(shí)信號(hào)的相參積累,對(duì)信號(hào)使用兩種位相對(duì)齊模塊進(jìn)行處理所得結(jié)果都與相參積累信噪比提高的理論值相符合,位相對(duì)齊模塊的對(duì)齊精度為2.88°;對(duì)比分析了兩種位相對(duì)齊模塊對(duì)相參積累后信號(hào)的信噪比提高的影響,其中插值再離散位相對(duì)齊模塊對(duì)信噪比的提高略低于過(guò)采樣位相對(duì)齊模塊。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：P407
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本文編號(hào)：2641999