發(fā)布時間：2020-10-31 15:56

　　 相干測風激光雷達可實現遠距離、多參數、高時空分辨率、高精度的中高層風場觀測,在風切變探測、飛機尾流探測、大氣湍流探測和風能發(fā)電等領域具有廣泛的應用。如何從大氣回波信號中提取微弱的多普勒頻移信息是相干測風激光雷達信號處理的難點。相對于傳統的時域或頻域處理方法,聯合時頻分析從時頻域刻畫信號可視性全貌,揭示信號頻率分量隨時間的變化過程,淹沒在噪聲中的信號通過聯合時頻分析和多組累加的方式更容易識別出來。時頻分析保持了對遠場弱信號風速估計的連續(xù)性,提高了距離分辨率和時間分辨率,改善了信噪比,反映出風速變化的豐富細節(jié)。本論文的主要工作如下:1.回顧了相干測風激光雷達和聯合時頻分析的國內外研究現狀,概述聯合時頻分析在激光雷達中的研究成果和應用趨勢。分析基于激光多普勒效應測量大氣風場的基本原理,介紹了激光雷達典型的系統組成,建立了相干測風激光雷達的大氣分層模型,論述了常用的風速估計算法如脈沖對算法、最大似然估計法和周期圖最大值法,推導相干測風激光雷達基本性能參數,討論了時頻方法的基本理論。2.基于大氣分層模型仿真生成相干測風激光雷達大氣回波時域信號,采用線性時頻分布、Cohen類時頻分布、重排類時頻分布和自適應最優(yōu)核時頻分布對模擬回波信號進行時頻分析,分析時頻方法的時頻特征,比較其設計準則和性能差異。3.使用1.5μm相干多普勒激光雷達于2017年3月份在安徽合肥進行實地觀測,將譜圖、自適應最優(yōu)核時頻分布和周期圖最大值法應用于實測數據,對比分析風速反演結果。實測結果表明在可探測范圍內風速分布在-3.5m/s-0m/s之間,約1.1 km左右出現的風切變是由于風場峽谷效應而形成的。通過對比實驗和連續(xù)觀測論證自適應最優(yōu)核時頻分布在3km內,當距離分辨率為1.2m、時間分辨率為0.2s時能夠直觀體現出風場變化的豐富細節(jié),3km后經平滑保.持了對遠場弱信號風速估計的連續(xù)性。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P412.25
【部分圖文】：

風速廓線圖；（ｃ）黑色實線的平均Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布??２０１４年，法國航空航天研宄院報道了?１．５＠全光纖單頻激光雷達測得的風??速隨距離變化的譜圖結果［３５］。譜圖分析結果如圖１．２（ａ）所示，在時間分辨率為０．１ｓ??時探測范圍為１０ｋｍ，９ｋｍ以下的信噪比與激光雷達方程保持良好一致；當時間??分辨率為〇．４１ｓ時，最遠探測范圍達到１３ｋｍ。２０１６年，該研宄所報導了長距多??普勒測風雷達，圖１．２（ｂ）為當時間分辨率為０．１ｓ時風速隨距離變化的譜圖分析結??果［３６］，探測距離可達１６ｋｍ。??ｉ?？＝＊■！，ｉ：；：ｇ＾｜｜??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）?Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）??圖１．２風速隨距離變化的譜圖圖像??

?Ｒａｎｇｅ（ｍ）?ｔ（ｕｓ）??圖１．１飛機尾渦的仿真分析。（ａ）尾渦對中徑向風速的等高線數值模擬圖；（ｂ）三條視線的徑向??風速廓線圖；（ｃ）黑色實線的平均Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布??２０１４年，法國航空航天研宄院報道了?１．５＠全光纖單頻激光雷達測得的風??速隨距離變化的譜圖結果［３５］。譜圖分析結果如圖１．２（ａ）所示，在時間分辨率為０．１ｓ??時探測范圍為１０ｋｍ，９ｋｍ以下的信噪比與激光雷達方程保持良好一致；當時間??分辨率為〇．４１ｓ時，最遠探測范圍達到１３ｋｍ。２０１６年，該研宄所報導了長距多??普勒測風雷達，圖１．２（ｂ）為當時間分辨率為０．１ｓ時風速隨距離變化的譜圖分析結??果［３６］，探測距離可達１６ｋｍ。??ｉ?？＝＊■！，ｉ：；：ｇ＾｜｜??０?２?４?６?８?１０?１２?１４?０?２?４?６?８?１０?１２?１４?１６??Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）?Ｒａｉｉｇｅ（ｋｍ）??圖１．２風速隨距離變化的譜圖圖像??２０１６年

??的重建二維小波分布。圖１．３中結果表明重建結果大致上和原始溫度擾動場一致，??重建二維小波分布可以很好代表真實大氣波動。該研宄成果為中間層及低熱層的??垂直研究和環(huán)境預報工作提供觀測支持。??－２０?０?２０?－２?０?２?－４?０?４?－２?０?２?－４?０?４??——ＬＴ?■………丨．—?—ｆ?—??Ｉ—■?—ＩＩ?１—??６５?＾一（ｂ）?？?（Ｃ）?（ｄ）?（ｅ）??！?＾?ｉ?＾?＾??２５?＾?；??＂５?１００?８０?１１５?】００?８０?１１５?１００?８０?１１５?１００?８０?１１５?１００?８０??Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ?ｔｉｍｅ（ｈ）??圖１．３原始相對溫度擾動和二維小波重建結果。??（ａ）２０１４年７月１６至１８日相對溫度擾動；（ｂ）３．６ｈ；?（ｃ）４．８ｈ；?（ｄ）７．８ｈ；?（ｅ）結合三個主小波??中重建的溫度擾動場??２０１７年，法國航空航天研宄院和法國放射性廢物管理機構采用譜圖方法，??分析１６４５ｍｎ全光纖相干激光雷達在石油和天然氣設施處對甲烷通量的測量能力??２０１７年，德國宇航局采用二維小波分析對南半球中緯度地區(qū)新西蘭（４５ｓＳ）??和北半球高緯度地區(qū)芬蘭（６７°Ｎ）的兩臺瑞利激光雷達觀測數據進行對比研宄，觀??測在３０ｋｍ至８５ｋｍ海拔高度冬季重力波傳播特征［４１］。??１．３．?２信號去噪??在信號去噪方面，由于信號中的噪聲往往分布在高頻區(qū)域，如果采用舍棄高??頻分量的方法，就可以粗糙的去除噪聲，故信號去噪常采用經驗模式分解的改進??算法較多。在時頻面上，隨機噪聲往往隨機分布在整個時頻面，而信號能量常常??聚集在有限區(qū)域
【參考文獻】

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本文編號：2864161