二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法及系统技术方案

本申请涉及二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法及系统，该方法包括：根据二元脉冲幅度编码矩阵对单频连续激光进行二元脉冲幅度编码调制，得到二元脉冲幅度编码信号；将二元脉冲幅度编码信号经光放大器放大后，通过环形器传输至光学天线并向待测大气区域发射；接收待测大气区域的回波信号后，确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵；根据解码矩阵对回波脉冲序列进行解码处理，得到不同延时的功率谱；对不同延时的功率谱进行对齐并累加平均处理，得到回波功率谱；根据回波功率谱和单频连续激光的频率计算得到待测大气区域的大气风速。能够满足远距离复杂风场精细探测的现实需求。实需求。实需求。

【技术实现步骤摘要】
二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法及系统


[0001]本专利技术属于激光雷达测风
，涉及一种二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法及系统。

技术介绍

[0002]复杂风场是指时间和空间上变化较为剧烈的风场，包括风切变和飞行器扰动场等中小尺度气流场，其全天候探测是研究复杂目标动力学规律的关键问题，也是空间信息获取与气象探测的交叉研究方向，在军民用航空安全、环境监测和重要武器发射保障等方面都具有重要应用需求。而当前测风的主要手段包括微波气象雷达、测风激光雷达以及探空气球等，其中测风激光雷达受益于激光的高单色性、高相干性及高方向性有望实现最高的风场距离分辨率，解决复杂风场的精细探测问题。
[0003]测风激光雷达的主要原理是发射的激光载波与待测大气区域的空气中气溶胶粒子相互作用后发生多普勒频移，通过频谱分析检测散射回波的多普勒频移得到风速，间接实现风场信息的感知。然而，在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现目前传统的测风激光雷达所使用的测量方法，仍难以满足远距离复杂风场精细探测的现实需求。

技术实现思路

[0004]针对上述传统方法中存在的问题，本专利技术提出了一种二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法以及一种测风激光雷达系统，能够满足远距离复杂风场精细探测的现实需求。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术实施例采用以下技术方案：一方面，提供一种二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法，包括步骤：根据二元脉冲幅度编码矩阵对单频连续激光进行二元脉冲幅度编码调制，得到二元脉冲幅度编码信号；二元脉冲幅度编码矩阵为对角元素为0、其余元素为1、行数和列数相等的矩阵；将二元脉冲幅度编码信号经光放大器放大后，通过环形器传输至光学天线并向待测大气区域发射；接收待测大气区域的回波信号后，确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵；根据解码矩阵对回波脉冲序列进行解码处理，得到不同延时的功率谱；对不同延时的功率谱进行对齐并累加平均处理，得到回波功率谱；根据回波功率谱和单频连续激光的频率计算得到待测大气区域的大气风速。
[0006]在其中一个实施例中，确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵的过程，包括：根据回波信号中回波脉冲的码元强度确定解码矩阵；若码元强度为0，则解码矩阵中对应的元素记为
‑
1，若码元强度为1，则解码矩阵中对应的元素记为1。
[0007]在其中一个实施例中，解码处理的解码公式为：
；其中，对应延时分别为的距离分辨率为单个码元宽度的功率谱，为单个码元宽度，为解码矩阵，分别对应第1，2，
…
，m组回波的累加平均功率谱。
[0008]另一方面，还提供一种测风激光雷达系统，包括：单频连续激光器，用于产生单频连续激光；第一光纤分束器，用于将单频连续激光分束为本征参考光和信号光；光脉冲调制器，用于对信号光进行调制输出；信号发生器，用于产生编码脉冲信号至光脉冲调制器，控制光脉冲调制器根据二元脉冲幅度编码矩阵对信号光进行二元脉冲幅度编码调制，得到二元脉冲幅度编码信号；环形器，用于将二元脉冲幅度编码信号传输至光学天线以及用于回传光学天线接收的回波信号；光学天线，用于将二元脉冲幅度编码信号向待测大气区域发射并接收待测大气区域的回波信号；第二光纤分束器，用于将本征参考光及回波信号合束；平衡探测器，用于合束并同时输入的本征参考光及回波信号以平方律检波的方式进行光电转换处理；数字采集处理器，用于对平衡探测器输出的电信号进行采集，确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵，根据解码矩阵对回波脉冲序列进行解码处理，得到不同延时的功率谱后，对不同延时的功率谱进行对齐并累加平均处理，得到回波功率谱，根据回波功率谱和单频连续激光的频率计算得到待测大气区域的大气风速。
[0009]在其中一个实施例中，数字采集处理器根据回波信号中回波脉冲的码元强度确定解码矩阵；若码元强度为0，则解码矩阵中对应的元素记为
‑
1，若码元强度为1，则解码矩阵中对应的元素记为1。
[0010]在其中一个实施例中，解码处理的解码公式为：
；其中，对应延时分别为的距离分辨率为单个码元宽度的功率谱，为单个码元宽度，为解码矩阵，分别对应第1，2，
…
，m组回波的累加平均功率谱。
[0011]在其中一个实施例中，光脉冲调制器包括声光调制器和/或电光调制器。
[0012]在其中一个实施例中，信号发生器包括任意波形发生器、晶体管逻辑电平信号发生器或射频信号发生器。
[0013]在其中一个实施例中，测风激光雷达系统还包括光放大器，光放大器用于将二元脉冲幅度编码信号放大后输入环形器。
[0014]上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：上述二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法及系统，通过利用二元脉冲幅度编码实现单次脉冲发射至待测大气区域后获得多个位置的回波后，其中每个回波的距离分辨率对应单个码元宽度，再通过解码算出单个位置的回波，通过对齐回波位置或延迟回波时间后再累加，即可实现单个位置的多次测量，增强单个位置的测量次数，也即增强了信噪比并且在不影响距离分辨率的基础上实现了输出功率的提高。减小码元宽度可以提高距离分辨率，而编码序列中码元数量增加又可以增大发射能量，增强信噪比，扩大探测范围，能够很好地满足远距离复杂风场精细探测的现实需求，为复杂风场的精细探测提供了新的有效技术手段。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为一个实施例中二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法的流程示意图；图2为一个实施例中基于编码脉冲进行大气探测的原理示意图；图3为一个实施例中基于二元脉冲幅度编码的编码脉冲示意图；图4为一个实施例中测风激光雷达系统的结构示意图；图5为另一个实施例中测风激光雷达系统的结构示意图；
图6为一个实施例中二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法的应用流程示意图；图7为一个实施例中基于二元脉冲幅度编码的测风激光雷达系统与非编码脉冲测风激光雷达得到的速度
‑
距离探测结果对比示意图。
具体实施方式
[0017]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0018]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
[0019]需要说明的是，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本专利技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置展本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法，其特征在于，包括步骤：根据二元脉冲幅度编码矩阵对单频连续激光进行二元脉冲幅度编码调制，得到二元脉冲幅度编码信号；所述二元脉冲幅度编码矩阵为对角元素为0、其余元素为1、行数和列数相等的矩阵；将所述二元脉冲幅度编码信号经光放大器放大后，通过环形器传输至光学天线并向待测大气区域发射；接收所述待测大气区域的回波信号后，确定所述回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵；根据所述解码矩阵对所述回波脉冲序列进行解码处理，得到不同延时的功率谱；对不同延时的所述功率谱进行对齐并累加平均处理，得到回波功率谱；根据所述回波功率谱和所述单频连续激光的频率计算得到所述待测大气区域的大气风速。2.根据权利要求1所述的二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法，其特征在于，确定所述回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵的过程，包括：根据所述回波信号中回波脉冲的码元强度确定所述解码矩阵；若所述码元强度为0，则所述解码矩阵中对应的元素记为
‑
1，若所述码元强度为1，则所述解码矩阵中对应的元素记为1。3.根据权利要求1或2所述的二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法，其特征在于，所述解码处理的解码公式为：；其中，对应延时分别为的距离分辨率为单个码元宽度的功率谱，为单个码元宽度，为所述解码矩阵，分别对应第1，2，
…
，m组回波的累加平均功率谱。4.一种测风激光雷达系统，其特征在于，包括：单频连续激光器，用于产生单频连续激光；第一光纤分束器，用于将所述单频连续激光分束为本征参考光和信号光；光脉冲调制器，用于对所述信号光进行调制输出；信号发生器，用于产生编码脉冲信号至所述光脉冲调制器，控制所述光脉冲调制器根据二元脉冲幅度编码矩阵对所述信号光进行二元脉冲幅度编码调制，得到二元脉冲幅度编码信...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐荷，李健兵，孙迪峰，彭芸莉，王雪松，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：