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基于边缘技术多普勒测风雷达的精度研究

作　者: 张合勇
导　师: 任德明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 边缘技术测风精度 Fabry-Perot标准具种子注入频率稳定性
分类号: TN959.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 76次
引　用: 4次
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内容摘要

基于边缘技术的多普勒测风雷达在当今世界的地位日趋重要。风场测量精度是每一个雷达系统的重要技术参数。本课题重点研究边缘技术测速系统精度的提高,首先是基于实验室配合目标速度测量,最终目的是大气风场探测。本文从理论和实验两个方面展开研究,在现有实验条件下提高配合目标速度测量精度。结果表明该实验测速系统可运用于大气风场测量中。理论主要包括2个方面:鉴频器件F-P标准具缺陷修正;新型分光棱镜设计。关于F-P标准具的经典透过率模型是基于平行平板多光束干涉理论,并没有考虑实际加工中存在的缺陷,通过将缺陷归结为高斯分布,进而从理论上得到修正的透过率表达式,与实验吻合较好。基于角度调谐的双边缘技术中,角度微小调节是难点,因此,本课题组研制了可以精确调整两束出射光夹角的新型分光棱镜,理论上可以将角度调节精度提高1~2个数量级。实验主要包括6个方面:脉冲计数法测量配合目标转速;分光棱镜性能测试实验;种子注入单纵模稳频激光器Spitlight 1200稳定性测试;单边缘技术测量配合目标转速;双边缘技术测量配合目标转速;大气回波信号探测与EMD降噪处理。使用He-Ne激光器并利用脉冲计数原理准确测量配合目标转速,无论顺时针还是逆时针旋转,速度测量标准差均不超过0.08m/s。利用1064nm脉冲激光测试分光棱镜性能,表明在激光入射角17°附近,出射光夹角调整精度可以提高50倍。控制种子源发散角在1.9mrad、1.5mrad、1.3mrad 3种情况下测量其在F-P标准具上的透过特性,最后选择发散角1.5mrad测量种子源频率稳定性,测量结果表明种子源短期稳定度在5MHz左右,相当于1.77×10-8,有2%的测试点频率波动超过5MHz。单边缘速度测量在采用频率修正前测速精度为2.1m/s,修正后测速精度为1.9m/s。该工作区域内最大测速灵敏度0.34%/(m/s),灵敏度不低于0.3%/(m/s)时,测速动态范围±50m/s。双边缘速度测量正向最大偏差2.1m/s,负向最大偏差2.6m/s,双边缘探测最大灵敏度为0.46%/(m/s),比单边缘探测灵敏度提高了1.4倍,这对微弱信号探测更加有利,在灵敏度不低于0.42%/(m/s)时,测速动态范围±70m/s。探测了大气后向散射回波信号,不加放大器时,雷达回波信号探测距离为1.3km。通过雷达方程进行数值模拟,表明在200m之后,理论与实际吻合较好。并将回波信号通过EMD方法分解为10个IMF分量和一个余量,通过在重构信号中剔除高频分量实现雷达信号的降噪处理。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-18
  1.1 论文背景  9-10
  1.2 测风激光雷达及其研究概况  10-16
    1.2.1 国外研究概况  10-14
    1.2.2 国内研究概况  14-15
    1.2.3 现状分析  15-16
  1.3 课题来源及论文主要工作  16-18
第2章边缘技术测风雷达原理及标准具模型修正  18-30
  2.1 引言  18
  2.2 边缘技术测风激光雷达理论基础  18-22
    2.2.1 大气散射理论  18-19
    2.2.2 边缘探测原理  19-22
  2.3 F-P 标准具模型及缺陷修正  22-29
    2.3.1 F-P 标准具透过率模型  22-25
    2.3.2 F-P 标准具缺陷修正  25-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章脉冲计数法测速及分光棱镜设计与测试  30-39
  3.1 引言  30
  3.2 脉冲计数法测量配合目标转速  30-33
  3.3 双边缘分光棱镜的设计与测试  33-38
    3.3.1 分光棱镜设计  33-36
    3.3.2 分光棱镜性能测试  36-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章 Spitlight 1200 激光器性能测试  39-50
  4.1 引言  39
  4.2 种子源频率稳定性测试  39-47
    4.2.1 种子源在F-P 标准具上的透过特性  39-44
    4.2.2 频率稳定性测试  44-47
  4.3 脉冲激光能量稳定性测试  47-49
  4.4 本章小结  49-50
第5章边缘技术测速及大气回波实验研究  50-78
  5.1 引言  50
  5.2 单边缘测量配合目标转速  50-60
    5.2.1 激光多普勒测速实验原理  50-52
    5.2.2 单边缘技术测量配合目标转速  52-60
  5.3 双边缘测量配合目标转速  60-67
    5.3.1 双边缘透过率曲线扫描  60-63
    5.3.2 双边缘技术测量配合目标转速  63-65
    5.3.3 双边缘测速灵敏度分析  65-67
  5.4 大气回波实验研究  67-77
    5.4.1 雷达回波信号探测  68-71
    5.4.2 EMD 分解雷达回波信号及降噪处理  71-77
  5.5 本章小结  77-78
结论  78-79
参考文献  79-84
攻读学位期间发表的学位论文  84-86
致谢  86

基于边缘技术多普勒测风雷达的精度研究

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