一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法技术

本发明专利技术属于相干激光测风雷达技术领域，公开了一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法，基于脉冲体制相干激光测风雷达的距离分辨率与频率分辨率不可同时提高的矛盾，采用滑窗DFT方法；通过引入前后距离库采样数据以增加傅里叶分析的点数提高频谱分辨率，以时间上小于脉冲宽度的采样点数作为滑动点数，提高距离分辨率。本发明专利技术的滑窗DFT能有效提高频谱分辨率与距离分辨率；其频谱分辨率提高效果与引入前后点数成正比，距离分辨率提高效果与单次SDFT滑动点数成反比；与现有分段DFT方法相比，雷达信号的谱峰形状更突显，谱峰位置准确度更高，对风速测量更精确；对于风速切变较大的情况，采用加窗滑窗DFT，有效控制测风精度。

【技术实现步骤摘要】
一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法
本专利技术属于相干激光测风雷达
，尤其涉及一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法。
技术介绍
相干激光测风雷达以气溶胶和空气分子为目标，探测其后向散射信息，是能真实有效地反演大气三维风场的探测设备，在气象监测、能源开发、航空保障等领域有着广泛的应用前景。尤其对于航空保障，风速的精确观测对风切变的识别十分重要。与常规电磁波段天气雷达相比，激光雷达工作波长短，单位径向多普勒速度产生的频移较大，其频谱分析通常在距离维完成，即对径向采样数据进行相干积累后按距离分辨率划分成若干采样段，再逐段进行DFT(DiscreteFourierTransform离散傅里叶变换)。脉冲体制相干测风激光雷达的距离分辨率与频谱分辨率相互约束，且受发射脉冲宽度限制。长脉宽体现较高的频谱分辨率，窄采样脉宽体现较高的距离分辨率。在经典谱估计中，频谱分辨率越高，谱峰位置越接近真实值，径向速度测量越精确，但高频谱分辨率往往伴随着低距离分辨率。相干激光测风雷达的激光发射器发射一个宽度为τ的脉冲，大气分子的后向散射信号经光学系统相干检波后由光电探测器输出，信号处理器对回波信号进行AD采样、距离库划分、DFT。对于有限长序列，频谱分辨率为：1/τ，其中τ为采样时长(脉冲体制雷达通常定义为脉宽)。此技术得到的距离分辨率为：cτ/2(c为光速)，频谱分辨率为1/τ，二者互为倒数关系，这也是二者不能同时得到改善的原因所在。以工作在波长λ＝1.55μm，脉冲宽度为τ＝200ns，采样率fs＝400MHz的激光雷达为例，其距离分辨率为：cτ/2＝30m，每个距离库的采样点数为：N＝80，其频谱分辨率为：fs/N＝5MHz。1m/s的多普勒速度产生的单位频移为：2v/λ≈1.29MHz，由频谱分辨率可得速度分辨率为：5/1.29≈3.87m/s，其探测精度有限。目前有下列方法以期待改善解决，采用信号补零的方式提高有限长序列的频谱分辨率，但补零后生成的谱为伪谱，且将产生较大副瓣，降低信噪比，影响雷达回波谱宽数据的准确测量。对频谱数据进行样条函数插值，该方法能有效改善谱中心的估计精度。但考虑到相干激光测风雷达回波信号为窄带信号，谱峰附近可用于插值计算的样点个数有限，并且插值结果的好坏受信噪比的影响较大，样条函数插值会带来大量运算，降低信号处理的实时性。因此，将插值方法用于激光雷达谱分析有一定局限性。脉冲压缩技术，可极大改善脉冲体制雷达的距离分辨率。但相干激光测风雷达工作波长极短，其单位多普勒频移远大于脉冲重复频率PRF。另一方面，对激光的调制与解调的不易实现。从而限制了脉冲压缩技术在相干激光雷达的应用。在常规谱分析技术下，脉冲体制相干激光测风雷达仍然面临着频谱分辨率与距离分辨率不能同时提高的矛盾。大气作为流体，它的运动规律遵循流体力学的基本定律。大气运动按水平尺度和垂直尺度可分为大、中、小、微四类尺度，最小尺度为100～1000米，通常比激光雷达脉宽τ所决定的距离分辨率大很多。根据大气中气溶胶/空气分子空间运动的连续性，在一定的探测范围内，所测得的径向数据中相邻距离库采样数据会有较大相关性，且相位连续，这为本方案增加DFT分析点数带来了可行性。综上所述，现有技术存在的问题是：信号补零方法，产生较大副瓣，改变了雷达信号的谱宽值；样条函数插值技术，插值样本过少，实时性差，精度受信噪比影响较大；现有脉冲压缩技术不能应用于相干激光雷达。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法。本专利技术是这样实现的，一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法，所述滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法基于脉冲体制相干激光测风雷达的距离分辨率与频率分辨率不可同时提高的矛盾，采用滑窗DFT方法；通过引入前后距离库的采样数据以增加傅里叶分析的点数提高频谱分辨率，以小于脉冲宽度的采样点作为滑动点数，提高距离分辨率；所述滑窗DFT方法包括以下步骤：步骤一，由所需的频率或速度分辨率得到DFT所需点数W，将目标单元采样点数或脉冲宽度向两端扩展至长度为W；步骤二，由距离分辨率确定真实目标单元采样点数S，即滑动点数S；步骤三，以W为宽度，S为步长，对径向数据划分距离库；步骤四，对每一个距离库内的采样点，做DFT分析。进一步，所述滑窗DFT方法根据离散傅里叶变换的公式，L点采样数据DFT表示为：由式(1)导出单个径向采样数据的分段DFT与滑窗DFT公式；设激光雷达在某一径向采样N点数据：x(n),0≤n≤N-1；对x(n)按脉宽进行分段DFT，其结果为：其中L为脉冲宽度时间τ对应的采样点数，N/L为距离库个数，频谱分辨率为2π/L。进一步，所述滑窗DFT方法对N点数据进行窗宽度为W、单次滑动S点的滑窗DFT；对起始段前补零(W-S)/2点，结束段后补零(W-S)/2点，径向分析点增加为N+W-S点；则滑窗DFT可表达为下式：距离库个数为N/S，频谱分辨率为2π/W。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法的相干激光测风雷达。本专利技术的优点及积极效果为：基于大气气溶胶/空气分子空间运动的连续性，提出以前后扩展距离库的点数的时域滑窗式DFT对径向采样数据进行谱分析。并仿真了传统DFT、滑窗DFT、加窗滑窗DFT的谱分析结果，最后对比了三者的测风精度。结果表明，滑窗DFT能有效提高频谱分辨率与距离分辨率，通过加窗函数能约束谱峰展宽与多峰现象，有效控制测风精度。附图说明图1是本专利技术实施例提供的滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的滑窗DFT示意图。图3是本专利技术实施例提供的同距离分辨率下的分段DFT与滑窗DFT谱峰形状对比示意图；图中：(a)传统DFT谱峰较宽；(b)滑窗DFT谱峰形状改善效果随风切变程度变化；在风切变不大的0-1000m内，谱峰更为凸显，但在1000m以上谱峰被展宽。图4是本专利技术实施例提供的窗函数能量集中度示意图。图5是本专利技术实施例提供的多参数滑窗DFT对距离分辨率与频谱分辨率改善示意图。图6是本专利技术实施例提供的加窗对谱峰宽度约束示意图。图7是本专利技术实施例提供的测风结果误差对比示意图；图中：(a)滑窗DFT、加窗滑窗DFT、分段DFT结果对比，滑窗DFT结果与设定风速线更接近，效果优于分段DFT；(b)不同窗函数下的滑窗DFT结果对比，加多种窗函数滑窗DFT结果均能达到较好效果；(c)滑窗DFT与加窗滑窗DFT的误差对比，加窗滑窗DFT的误差更小；(d)多种窗函数下的滑窗DFT误差对比，除Kaiser窗在1000米以上误差较大，其余窗函数的效果均较好。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合附图对本专利技术的应用原理作详细的描述。如图1所示，本专利技术实施例提供的滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法包括以下步骤：S101：由所需的频率(速度)分辨率得到DFT所需点数W，将目标单元采样点数(脉冲宽度)向两端扩展至长度为W；S102：由距离分辨率确定真实目标单元采样点数S，即滑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法，其特征在于，所述滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法基于脉冲体制相干激光测风雷达的距离分辨率与频率分辨率不可同时提高的矛盾，采用滑窗DFT方法；通过引入前后距离库的采样数据以增加傅里叶分析的点数提高频谱分辨率，以小于脉冲宽度的采样点作为滑动点数，提高距离分辨率；所述滑窗DFT方法包括以下步骤：步骤一，由所需的频率或速度分辨率得到DFT所需点数W，将目标单元采样点数或脉冲宽度向两端扩展至长度为W；步骤二，由距离分辨率确定真实目标单元采样点数S，即滑动点数S；步骤三，以W为宽度，S为步长，对径向数据划分距离库；步骤四，对每一个距离库内的采样点，做DFT分析。

【技术特征摘要】
1.一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法，其特征在于，所述滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法基于脉冲体制相干激光测风雷达的距离分辨率与频率分辨率不可同时提高的矛盾，采用滑窗DFT方法；通过引入前后距离库的采样数据以增加傅里叶分析的点数提高频谱分辨率，以小于脉冲宽度的采样点作为滑动点数，提高距离分辨率；所述滑窗DFT方法包括以下步骤：步骤一，由所需的频率或速度分辨率得到DFT所需点数W，将目标单元采样点数或脉冲宽度向两端扩展至长度为W；步骤二，由距离分辨率确定真实目标单元采样点数S，即滑动点数S；步骤三，以W为宽度，S为步长，对径向数据划分距离库；步骤四，对每一个距离库内的采样点，做DFT分析。2.如权利要求1所述的滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法，其特征在于，所述滑窗DFT方法根据离散傅里叶变换的公式，L点采样数据DFT表示为：由式(1)导出单个径向采样数据的分段DFT与滑窗D...

【专利技术属性】
技术研发人员：张福贵，何建新，漆洋，王海江，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川,51