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CN111965667B - 动态补偿测风激光雷达系统及其测风方法 - Google Patents

动态补偿测风激光雷达系统及其测风方法 Download PDF

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CN111965667B CN202011093266.7A CN202011093266A CN111965667B CN 111965667 B CN111965667 B CN 111965667B CN 202011093266 A CN202011093266 A CN 202011093266A CN 111965667 B CN111965667 B CN 111965667B
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Abstract

本发明公开了一种动态补偿测风激光雷达系统，它包括：激光器、A/D转换器、信号处理器和数据处理器，所述信号处理器包括功率谱计算模块、运动传感器和脉冲累积模块，脉冲累积模块将单个光束周期发出的光脉冲分成n段进行累积，在每段累积中加入运动传感器采集的实时运动和姿态数据，通过对多个周期脉冲信号功率谱密度进行累积，从而提高信噪比。本发明采用对单光束驻留时间内的光脉冲进行分段累加并叠加姿态的方式，可以大大提高姿态补偿频率，并做到姿态补偿频率可调。

Description

动态补偿测风激光雷达系统及其测风方法
技术领域
本发明属于激光雷达领域，具体是一种动态补偿测风激光雷达系统及其测风方法。
背景技术
目前市面上的测风激光雷达系统在动态环境测风时，主要在每次采样时进行雷达姿态补偿。雷达的采样频率通常为1Hz，这导致雷达姿态补偿的频率也在1Hz。在复杂的动态环境，例如浮标、车载、机载等，雷达的姿态变化频率往往大于1Hz，1Hz的姿态补偿频率明显不能满足测风需求。
雷达需要同时测量多个高度层的风场信息。目前市面上的脉冲雷达主要采集固定时间的回光信号，测量距离不会随着雷达姿态实时调整。当雷达姿态变化时，测量的高度层也会随之发生变化。现在主流的手段是后期采用指数率进行插值的方法，推算出所设置高度层的风场信息，这种方法明显不如直接测量目标高度层准确。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种动态补偿测风激光雷达系统及其测风方法。
技术方案：
本发明首先公开了一种动态补偿测风激光雷达系统的测风方法，它包括以下步骤：
S1、多光束激光器产生的光信号以固定频率在多束光之间周期切换；
S2、光信号经大气气溶胶散射后，由光学天线接收并与种子光信号进行拍频；
S3、拍频信号进行平衡探测、A/D转换，传至信号处理器，获得信号功率谱；同时，运动传感器实时输出雷达的运动和姿态数据；
将单个光束周期发出的光脉冲分成n段进行累积，在每段累积中加入运动传感器采集的实时运动和姿态数据，通过对多个周期脉冲信号功率谱密度进行累积，从而提高信噪比；
S4、信号功率谱、雷达的实时运动和姿态数据打包发送给数据处理器，获得光束径向风速；
S5、结合上一周期光束径向风速反演得出雷达上方的风速和风向。
优选的，S3中，通过对A/D采样信号计算，以获得脉冲信号功率谱。
优选的，S3中，根据雷达的姿态和高度变化，实时调整A/D转换器的采样间隔时间：
Figure 619564DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 232246DEST_PATH_IMAGE002
为变化后的采样间隔时间，
Figure 480825DEST_PATH_IMAGE003
为变化后的光束在惯性坐标轴的向量，
Figure 610455DEST_PATH_IMAGE004
为真空中光速；
Figure 96931DEST_PATH_IMAGE005
为变化后的光束至高度层的单程距离，
Figure 653814DEST_PATH_IMAGE006
为变化前雷达至高度层的垂线距离，
Figure 592951DEST_PATH_IMAGE007
为雷达的高度变化。
优选的，S3中，雷达单个光束周期的脉冲分为n段：
Figure 526272DEST_PATH_IMAGE008
t为单光束驻留时间，激光器重频为FkHz，M为脉冲累积次数。
本发明还公开了一种动态补偿测风激光雷达系统，它包括：
-激光器，用于发射多光束光信号；光学天线，用于接收经大气气溶胶散射后的光信号并与种子光信号进行拍频；
-A/D转换器，对拍频信号进行采样，进行平衡探测、A/D转换，并传给信号处理器；
-信号处理器，包括功率谱计算模块、运动传感器和脉冲累积模块：
-功率谱计算模块获得信号功率谱；
-运动传感器实时输出雷达的运动和姿态数据；
-脉冲累积模块将单个光束周期发出的光脉冲分成n段进行累积，在每段累积中加入运动传感器采集的实时运动和姿态数据，通过对多个周期脉冲信号功率谱密度进行累积，从而提高信噪比；
-数据处理器，根据信号功率谱、雷达的运动和姿态数据进行数据处理，获得光束径向风速；结合上一周期光束径向风速反演得出雷达上方的风速和风向。
优选的，功率谱计算模块通过对A/D采样信号计算，以获得脉冲信号功率谱。
优选的，信号处理器还包括高度补偿系统，高度补偿系统根据雷达的姿态和高度变化，实时调整A/D转换器的采样间隔时间：
Figure 867255DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 595039DEST_PATH_IMAGE002
为变化后的采样间隔时间，
Figure 21473DEST_PATH_IMAGE003
为变化后的光束在惯性坐标轴的向量，
Figure 227326DEST_PATH_IMAGE004
为真空中光速；
Figure 485132DEST_PATH_IMAGE005
为变化后的光束至高度层的单程距离，
Figure 383818DEST_PATH_IMAGE006
为变化前雷达至高度层的垂线距离，
Figure 297547DEST_PATH_IMAGE007
为雷达的高度变化；所述雷达的姿态和高度变化自运动传感器获得。
优选的，雷达单个光束周期的脉冲分为n段：
Figure 41512DEST_PATH_IMAGE008
t为单光束驻留时间，激光器重频为FkHz，M为脉冲累积次数。
本发明的有益效果。
本发明采用对单光束驻留时间内的光脉冲进行分段累加并叠加姿态的方式，可以大大提高姿态补偿频率，并做到姿态补偿频率可调。解决了背景技术中“在复杂的动态环境，例如浮标、车载、机载等，雷达的姿态变化频率往往大于1Hz，1Hz的姿态补偿频率明显不能满足测风需求”的问题。
本发明根据采集的姿态信息，实时计算，并反馈AD实时调整采集时间，保证雷达始终测量的是目标高度层的风场信息。解决了背景技术中“当雷达姿态变化时，测量的高度层也会随之发生变化”的问题。
附图说明
图1为本发明的雷达系统原理图。
图2为本发明的分段姿态和运动补偿时序图。
图3为本发明的高度补偿系统的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
结合图1，本发明公开了一种动态补偿测风激光雷达系统，它包括：
-激光器，用于发射多光束光信号；光学天线，用于接收经大气气溶胶散射后的光信号并与种子光信号进行拍频；
-A/D转换器，对拍频信号进行采样，进行平衡探测、A/D转换，并传给信号处理器；
-信号处理器，包括功率谱计算模块、运动传感器和脉冲累积模块：
-功率谱计算模块获得信号功率谱；
-运动传感器实时输出雷达的运动和姿态数据，包括x轴、y轴、z轴的角度、g值和角速度等；
-脉冲累积模块将单个光束周期发出的光脉冲分成n段进行累积，在每段累积中加入运动传感器采集的实时运动和姿态数据，通过对多个周期脉冲信号功率谱密度进行累积，从而提高信噪比；
-数据处理器，根据信号功率谱、雷达的运动和姿态数据进行数据处理，获得光束径向风速；结合上一周期光束径向风速反演得出雷达上方的风速和风向。
本申请中，“根据信号功率谱、雷达的运动和姿态数据进行数据处理，获得光束径向风速”；“基于光束径向风速反演得出雷达上方的风速和风向”均为现有技术，具体可参照竹孝鹏论文《相干多普勒测风激光雷达关键技术研究》。本申请的创新点在于：脉冲累积模块将单光束脉冲分段累积提高姿态补偿频率。
由于雷达选用的是高重频激光器，重频可以达到几十kHz。假设激光器重频为FkHz，光束1、光束2的单光束驻留时间为t秒，则单个光束周期发出的光脉冲数为1000*F*t个。
结合图2所示，我们可以针对这1000Ft个脉冲分成n段进行累积，在每段累积中加入运动传感器采集的实时运动和姿态数据。考虑到满足测风要求，需要保证信噪比CNR＞Tdb，根据这个可以确认一个最小脉冲累积次数M，则雷达单个光束周期的脉冲可以最大分为：
Figure 153825DEST_PATH_IMAGE008
t为单光束驻留时间，激光器重频为FkHz，M为脉冲累积次数。
则雷达的最大姿态补偿频率可以达到
Figure 223412DEST_PATH_IMAGE009
。
根据实际情况，我们可以任意选择不小于M的脉冲累积次数来合理调整姿态补偿频率。同时还可以通过提高激光器的重频，进一步提高最大姿态补偿频率。
同时，为了解决背景技术中“当雷达姿态变化时，测量的高度层也会随之发生变化”的问题。本申请的信号处理器还包括高度补偿系统，通过雷达的姿态和高度变化，实时调整A/D的采样间隔时间。
结合图3所示，当雷达处于初始姿态时，光束在惯性坐标轴（X，Y，Z）的单位向量为：
Figure 624438DEST_PATH_IMAGE010
。
则A/D的采样间隔时间为
Figure 172094DEST_PATH_IMAGE011
。
其中c为真空中光速，
Figure 138913DEST_PATH_IMAGE006
为变化前雷达至高度层的垂线距离，
Figure 644980DEST_PATH_IMAGE012
为光束在惯性坐标轴的向量。
当雷达实时姿态变化时，雷达坐标轴（X’,Y’,Z’）和惯性坐标轴，三个轴的夹角分别变为
Figure 64460DEST_PATH_IMAGE013
（旋转角度正方向为沿旋转轴负向看顺时针为正，逆时针为负）。则光束在惯性坐标轴的向量变为：
Figure 619070DEST_PATH_IMAGE014
其中：
Figure 440395DEST_PATH_IMAGE015
Figure 117364DEST_PATH_IMAGE016
Figure 24140DEST_PATH_IMAGE017
则A/D的采样间隔时间变为：
Figure 116861DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 58272DEST_PATH_IMAGE002
为变化后的采样间隔时间，
Figure 640563DEST_PATH_IMAGE003
为变化后的光束在惯性坐标轴的向量，
Figure 300215DEST_PATH_IMAGE004
为真空中光速；
Figure 993364DEST_PATH_IMAGE005
为变化后的光束至高度层的单程距离，
Figure 523703DEST_PATH_IMAGE006
为变化前雷达至高度层的垂线距离，
Figure 480157DEST_PATH_IMAGE007
为雷达的高度变化；所述雷达的姿态和高度变化自运动传感器获得。
该方案通过实时调整采集间隔时间，确保雷达测量的就是设置高度层的风速风向数据，不会因为高度误差影响测风精度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种动态补偿测风激光雷达系统的测风方法，其特征在于它包括以下步骤：
S1、多光束激光器产生的光信号以固定频率在多束光之间周期切换；
S2、光信号经大气气溶胶散射后，由光学天线接收并与种子光信号进行拍频；
S3、拍频信号进行平衡探测、A/D转换，传至信号处理器，获得信号功率谱；同时，运动传感器实时输出雷达的运动和姿态数据；
将单个光束周期发出的光脉冲分成n段进行累积，在每段累积中加入运动传感器采集的实时运动和姿态数据，通过对多个周期脉冲信号功率谱密度进行累积，从而提高信噪比；
根据雷达的姿态和高度变化，实时调整A/D转换器的采样间隔时间：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为变化后的采样间隔时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为变化后的光束在惯性坐标轴的向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为真空中光速；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为变化后的光束至高度层的单程距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为变化前雷达至高度层的垂线距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为雷达的高度变化；
S4、信号功率谱、雷达的实时运动和姿态数据打包发送给数据处理器，获得光束径向风速；
S5、结合上一周期光束径向风速反演得出雷达上方的风速和风向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于S3中，通过对A/D采样信号计算，以获得脉冲信号功率谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于S3中，雷达单个光束周期的脉冲分为n段：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
t为单光束驻留时间，激光器重频为FkHz，M为脉冲累积次数。
4.一种动态补偿测风激光雷达系统，其特征在于它包括：
-激光器，用于发射多光束光信号；光学天线，用于接收经大气气溶胶散射后的光信号并与种子光信号进行拍频；
-A/D转换器，对拍频信号进行采样，进行平衡探测、A/D转换，并传给信号处理器；
-信号处理器，包括功率谱计算模块、运动传感器、脉冲累积模块和高度补偿系统：
-功率谱计算模块获得信号功率谱；
-运动传感器实时输出雷达的运动和姿态数据；
-脉冲累积模块将单个光束周期发出的光脉冲分成n段进行累积，在每段累积中加入运动传感器采集的实时运动和姿态数据，通过对多个周期脉冲信号功率谱密度进行累积，从而提高信噪比；
-高度补偿系统根据雷达的姿态和高度变化，实时调整A/D转换器的采样间隔时间：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
式中，
Figure 508114DEST_PATH_IMAGE004
为变化后的采样间隔时间，
Figure 159675DEST_PATH_IMAGE006
为变化后的光束在惯性坐标轴的向量，
Figure 736150DEST_PATH_IMAGE008
为真空中光速；
Figure 865780DEST_PATH_IMAGE010
为变化后的光束至高度层的单程距离，
Figure 352256DEST_PATH_IMAGE012
为变化前雷达至高度层的垂线距离，
Figure 909140DEST_PATH_IMAGE014
为雷达的高度变化；所述雷达的姿态和高度变化自运动传感器获得；
-数据处理器，根据信号功率谱、雷达的运动和姿态数据进行数据处理，获得光束径向风速；结合上一周期光束径向风速反演得出雷达上方的风速和风向。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于功率谱计算模块通过对A/D采样信号计算，以获得脉冲信号功率谱。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于雷达单个光束周期的脉冲分为n段：
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
t为单光束驻留时间，激光器重频为FkHz，M为脉冲累积次数。
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