基于激光后向散射的多光束風場位移測量及弱信號相關檢測技術研究.pdf

1、精確的大氣風場觀測對提高全球長期天氣預報和風暴預報的準確性、檢測大氣污染、改進氣候研究模型、提高航天航空的安全性等具有重大意義。傳統(tǒng)的多普勒激光測風雷達基于多普勒效應來測量風速。為克服多普勒激光測風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場位移測量法的激光測風儀。該系統(tǒng)通過采集激光光束傳播路徑上氣溶膠團散射回來的光信號強度，確定氣溶膠微粒通過

2、多束平行激光光束的時間來計算風速。由于該系統(tǒng)測量的物理量是回波信號的強度，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，結構簡單，適用于低空風力測量，具有很好的工程實用性。本文所做的主要工作為：
　　1.分析脈沖激光在風場中的傳輸特性，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速進行測量；
　　2.研制了多光束風場位移測風儀系統(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?；夭z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，本設計采取對數(shù)增益放大器進行級聯(lián)的方式對弱信號有效地放

4、大；
　　3.設計了基于現(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)轉換芯片 ADC08200、FPGA芯片 EP2C8Q208C8和單片機系統(tǒng)C8051F120組成；其中，設計了實現(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、結構和印制電路板設計的復雜性。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.設計了針對低信噪比弱散射回波信號的信號處理模塊。首先，為濾除接收機的熱噪聲、ADC轉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行濾波。其次，采用多脈沖互相關檢測法進一步濾除噪聲信號。理論研究結果表明，經(jīng)過 N個信號進行平均互相關后，信噪比將提高N1/2倍。

6、r>　　5.采用光學互相關方法對探測得到的回波信號進行分析和計算得到風速和風向。其中包括峰值延時法、斜率法、頻率法、Briggs法和協(xié)方差法。最后進行實地風場測量實驗，包括固定距離處的風速實時測量，不同距離處的風速測量，以及系統(tǒng)在旋轉一定角度時的風速測量，從而全面檢測系統(tǒng)的測量精度。
　　6計算了系統(tǒng)的響應時間和測量風場的占空比。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。當系統(tǒng)工作于連續(xù)工作或者間隔工作狀