多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种激光测风雷达测风方法及系统，特别涉及一种多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法及系统，解决了采用现有频率校正方法单次校正时，校正精度低及校正过程繁琐的问题。该测风方法包括以下步骤：步骤1：采集回波信号；步骤2：对回波信号大量相干累加，获得回波信号离散采样数据序列x(n)；步骤3：从x(n)中选取L个有效数据点，补零至N点并进行采样点数N的快速傅里叶变换，得到幅度谱A(k)；步骤4：利用离散频谱校正方法得到第一次校正频率的位置索引值k

【技术实现步骤摘要】
多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法及系统
本专利技术涉及一种激光测风雷达测风方法及系统，特别涉及一种多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法及系统。
技术介绍
激光测风雷达的基本原理是应用多普勒效应。多普勒效应是指当发射源和接收者之间有径向相对运动时，接收到的信号频率将发生变化。由于目标回波的多普勒频率和其径向相对运动的速度成正比，因此只要准确地测量出目标回波的多普勒频率，就可以确定目标径向相对运动的速度。当将平衡探测器接收到的大气风场中气溶胶散射的回波信号与本振光进行拍频之后，就需要进行数据处理。在近距离探测数据处理上，由于快速傅里叶变换((FastFourierTransformation，FFT)周期图法计算量小、用时短、效率高，因此，通常采用FFT周期图法对数据进行处理。采用FFT周期图法对数据进行处理时，由于离散频谱分析只能在截断的有限长度时域上进行，不可避免地存在能量泄漏，导致经过快速傅里叶变换(FastFouriertransform，FFT)得到的频谱，其频率、幅值和相位均可能产生较大的误差，进而在很大程度上限制了该技术在工程上的应用，因此需要研究离散频谱的校正技术以消除或大幅度减小这个误差，提高分析精度。对于单频率成分或间隔较远的多频率成分的离散频谱，目前常用的校正方法主要有四种，即：比值法、能量重心法、连续细化傅里叶变换分析法(FFT+FT)和相位差法。以能量重心法为例，能量重心法是2001年丁康等在三点卷积幅值校正法基础上提出来的一种通用的离散频谱校正方法。对于常见的窗函数，比如矩形窗、Hanning窗、Hamming窗等等，离散频谱能量重心会随着谱线数n趋于无穷，无穷逼近原点。能量重心法正是利用离散窗谱函数的能量重心是坐标原点的原理求出频率校正量，是一种校正精度较高的校正方法。在刘昌文等人发表的论文“激光多普勒测速中的频谱校正及其应用”(《中国激光》，第30卷第7期，2003年7月)中，公开了使用能量重心法来提高多普勒频率的测量精度以满足测量要求的方法。该方法利用各种窗函数离散频谱的能量重心无穷逼近主瓣中心或在主瓣中心附近，通过对信号功率谱加窗，依据信号功率谱的分布特征选择一种窗函数并确定采样点数，最终以主瓣内功率谱值较大的几条谱线求得主瓣的中心坐标，得到校正后的多普勒频率。这种能量重心法不依赖于窗函数，算法实现简单，计算量小。但是，该方法仍然存在的不足之处是：多普勒频率的校正精度与窗函数类型和采样点数的选取有关，当窗函数选择矩形窗或者选取的采样点数较少时，多普勒频率的校正精度较低，无法满足调频连续波着陆雷达高测速精度的要求。专利技术名称为“基于多普勒频谱重心校正的调频连续波着陆雷达测速方法”，申请公布号为“CN108535719A”，申请公布日为“2018.09.14”的中国专利中，公开了一种基于多普勒频谱重心校正的调频连续波着陆雷达测速方法。采用该方法可实现使用重心校正系数对调频连续波多普勒频谱重心进行校正，降低测速的计算量，提高测速精度。但是，该方法需要计算调频连续波着陆雷达天线的波束中心差频信号频率估计值和频谱宽度估计值，建立雷达天线波束地面入射角与差频信号频谱宽度和频率比值的对照表，过程较为繁琐。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法及系统，以解决采用现有多普勒频率校正方法单次对多普勒频率校正时，其校正精度较低，无法满足调频连续波着陆雷达高测速精度的要求，以及校正过程中，需建立雷达天线波束地面入射角与差频信号频谱宽度和频率比值的对照表，过程较为繁琐的技术问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤1：激光测风雷达测量大气风场，通过信号采集卡对回波信号进行采集；步骤2：对步骤1采集得到的回波信号进行大量相干累加，获得回波信号离散采样数据序列：x(n)，n＝0，1，…，K-1，其中，K为回波信号单频脉冲信号的采样点个数，K取值为2的整数幂；步骤3：从回波信号离散采样数据序列x(n)中选取L个有效数据点，补零至N点并进行采样点数N的快速傅里叶变换处理，得到幅度谱A(k)，其中k为频域的自变量，代表频率；步骤4：利用离散频谱校正方法，将步骤3得到的幅度谱A(k)代入所述离散频谱校正方法所对应的公式中，进行第一次频率校正，得到多普勒频率的第一次校正频率的位置索引值k0；步骤5：根据下式(1)计算得到多普勒频率的第一次校正频率fd1：fd1＝k0·fs/N(1)；式(1)中：fs为步骤1中所述信号采集卡的采样频率；步骤6：利用多普勒频率的第一次校正频率fd1设置仿真理想余弦信号，再次进行快速傅里叶变换处理以及采用与步骤4相同的所述离散频谱校正方法进行第二次频率校正，得到多普勒频率的第二次校正频率fd2；步骤7：根据下式(2)计算多普勒频率的两次校正频率的差值Δfd：Δfd＝fd1-fd2(2)；步骤8：根据下式(3)计算多普勒频率的最终校正频率fd：fd＝fd1+Δfd＝2fd1-fd2(3)；步骤9：根据步骤8计算得到的多普勒频率的最终校正频率fd计算大气风场的风速。进一步地，步骤6中，设置仿真理想余弦信号时，还包括设置仿真理想余弦信号的相位值设定值与回波信号的相位值一致的步骤。之所以这样设置，是因为经过仿真发现，信号幅值对频率误差几乎没有影响，而相位对频率误差影响较大，这样设置，可以使校正频率误差均值与均方根误差从万Hz、千Hz的量级下降到千Hz、百Hz量级甚至十Hz的量级，经过多普勒频移公式fdop＝2Vr/λ可以计算得出，理论上风速测量精度由0.1m/s提高到0.01m/s。进一步地，步骤6中，所述回波信号的相位值的获取方法为：先获取携带该相位信息的光束，然后通过正交混频原理求解出该相位。进一步地，步骤1中所述的激光测风雷达，是采用将激光种子源发射的脉冲激光经声光移频器后，进入大气，用于测量风速；步骤6中，所述获取携带该相位信息的光束的方法，包括以下步骤：步骤a.1：准直器出射脉冲激光，入射至光学镜片表面，产生一个随机初始相位与所述声光移频器引入的随机初始相位相同的反射回波信号；步骤a.2：鉴别获得步骤a.1产生的所述反射回波信号所在周期脉冲的初始相位；步骤a.3：以步骤a.2鉴别获得的所述反射回波信号所在周期脉冲的初始相位为基准，移动其他周期内的脉冲波形与之对齐，同一脉冲不同周期波形，消除随机相位，进行有效的相干叠加，获取到所述携带该相位信息的光束。或者，步骤6中，所述获取携带该相位信息的光束的方法，包括以下步骤：步骤b.1：采用能量分光耦合棱镜，将激光种子源发射的并进入过声光移频器，从声光移频器输出的激光分为两路，一路穿过能量分光耦合棱镜后透射，用于测量风速；另一路被能量分光耦合棱镜反射；步骤b.2：从步骤b.1中所述被能量分光耦合棱镜反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：激光测风雷达测量大气风场，通过信号采集卡对回波信号进行采集；/n步骤2：对步骤1采集得到的回波信号进行大量相干累加，获得回波信号离散采样数据序列：/nx(n)，n＝0，1，…，K-1，/n其中，K为回波信号单频脉冲信号的采样点个数，K取值为2的整数幂；/n步骤3：从回波信号离散采样数据序列x(n)中选取L个有效数据点，补零至N点并进行采样点数N的快速傅里叶变换处理，得到幅度谱A(k)，其中k为频域的自变量，代表频率；/n步骤4：利用离散频谱校正方法，将步骤3得到的幅度谱A(k)代入所述离散频谱校正方法所对应的公式中，进行第一次频率校正，得到多普勒频率的第一次校正频率的位置索引值k

【技术特征摘要】
1.一种多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：激光测风雷达测量大气风场，通过信号采集卡对回波信号进行采集；
步骤2：对步骤1采集得到的回波信号进行大量相干累加，获得回波信号离散采样数据序列：
x(n)，n＝0，1，…，K-1，
其中，K为回波信号单频脉冲信号的采样点个数，K取值为2的整数幂；
步骤3：从回波信号离散采样数据序列x(n)中选取L个有效数据点，补零至N点并进行采样点数N的快速傅里叶变换处理，得到幅度谱A(k)，其中k为频域的自变量，代表频率；
步骤4：利用离散频谱校正方法，将步骤3得到的幅度谱A(k)代入所述离散频谱校正方法所对应的公式中，进行第一次频率校正，得到多普勒频率的第一次校正频率的位置索引值k0；
步骤5：根据下式(1)计算得到多普勒频率的第一次校正频率fd1：
fd1＝k0·fs/N(1)；
式(1)中：fs为步骤1中所述信号采集卡的采样频率；
步骤6：利用多普勒频率的第一次校正频率fd1设置仿真理想余弦信号，再次进行快速傅里叶变换处理以及采用与步骤4相同的所述离散频谱校正方法进行第二次频率校正，得到多普勒频率的第二次校正频率fd2；
步骤7：根据下式(2)计算多普勒频率的两次校正频率的差值Δfd：
Δfd＝fd1-fd2(2)；
步骤8：根据下式(3)计算多普勒频率的最终校正频率fd：
fd＝fd1+Δfd＝2fd1-fd2(3)；
步骤9：根据步骤8计算得到的多普勒频率的最终校正频率fd计算大气风场的风速。


2.根据权利要求1所述的多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法，其特征在于：步骤6中，设置仿真理想余弦信号时，还包括设置仿真理想余弦信号的相位值设定值与回波信号的相位值一致的步骤。


3.根据权利要求2所述的多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法，其特征在于：步骤6中，所述回波信号的相位值的获取方法为：先获取携带该相位信息的光束，然后通过正交混频原理求解出该相位。


4.根据权利要求3所述的多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法，其特征在于：
步骤1中所述的激光测风雷达，是采用将激光种子源发射的脉冲激光经声光移频器后，进入大气，用于测量风速；
步骤6中，所述获取携带该相位信息的光束的方法，包括以下步骤：
步骤a.1：准直器出射脉冲激光，入射至光学镜片表面，产生一个随机初始相位与所述声光移频器引入的随机初始相位相同的反射回波信号；
步骤a.2：鉴别获得步骤a.1产生的所述反射回波信号所在周期脉冲的初始相位；
步骤a.3：以步骤a.2鉴别获得的所述反射回波信号所在周期脉冲的初始相位为基准，移动其他周期内的脉冲波形与之对齐，同一脉冲不同周期波形，消除随机相位，进行有效的相干叠加，获取到所述携带该相位信息的光束。


5.根据权利要求3所述的多普勒频率校正二次补偿的激光测风雷达测风方法，其特征在于：
步骤1中所述的激光测风雷达，是采用将激光种子源发射的脉冲激光经声光移频器后，进入大气，用于测量风速；
步骤6中，所述获取携带该相位信息的光束的方法，包括以下步骤：
步骤b.1：采用能量分光耦合棱镜，将激光种子源发射的并进入过声光移频器，从声光移频器输出的激...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈启敏，张普，杨吴昊，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61