动态补偿测风激光雷达系统及其测风方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
动态补偿测风激光雷达系统及其测风方法
本专利技术属于激光雷达领域，具体是一种动态补偿测风激光雷达系统及其测风方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
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：本专利技术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：式中，为变化后的采样间隔时间，为变化后的光束在惯性坐标轴的向量，为真空中光速；为变化后的光束至高度层的单程距离，为变化前雷达至高度层的垂线距离，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：t为单光束驻留时间，激光器重频为FkHz，M为脉冲累积次数。本专利技术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：式中，为变化后的采样间隔时间，为变化后的光束在惯性坐标轴的向量，为真空中光速；为变化后的光束至高度层的单程距离，为变化前雷达至高度层的垂线距离，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：t为单光束驻留时间，激光器重频为FkHz，M为脉冲累积次数。本专利技术的有益效果。本专利技术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
技术介绍
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。本专利技术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
技术介绍
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为本专利技术的雷达系统原理图。图2为本专利技术的分段姿态和运动补偿时序图。图3为本专利技术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专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于此。结合图1，本专利技术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：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。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
技术介绍
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，光束在惯性本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/nS1、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；/nS2、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；/nS3、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；/n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；/nS4、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；/nS5、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。/n

【技术特征摘要】
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；
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，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：



式中，为变化后的采样间隔时间，为变化后的光束在惯性坐标轴的向量，为真空中光速；为变化后的光束至高度层的单程距离，为变化前雷达至高度层的垂线距离，为雷达的高度变化。


4.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：



t为单光束驻留时间，激光器重频为FkHz，M为脉冲累积次数。


5.一种动态补偿测风激光雷达系统，其特征在于它包括：

【专利技术属性】
技术研发人员：邵建伟，朱海龙，肖增利，李智，邓晨，
申请(专利权)人：南京牧镭激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32