激光雷达回波信号及处理方法分析

本论文针对大气探测激光雷达的数字信号处理,进行了研究。通过分析大气探测激光雷达回波信号,回波信号中的噪声主要包括背景噪声、电噪声以及大气扰动噪声等,并对部分噪声的抑制提出了降噪方案。通过距离校正,得到探测距离。使用MTI法去除物理杂波噪声。设计滤波器,选取合适的截止频率,消除由接收系统各环节电子器件引起的高频电噪声。     

基于船舶运动的微波多普勒海面回波模拟与分析

根据船载雷达探测海面时的工作特点,深入研究走航状态下微波段电磁波与海表面的作用机理.根据线性波浪理论和船舶运动规律,建立了基于时变海面的船舶运动模型,并通过与实测数据对比验证了模型的有效性.采用小斜率近似法计算海面的电磁散射,仿真得到走航状态下微波段海面散射回波,并分析了不同船舶运动方式对回波多普勒谱的影响.通过采用空间海浪反演算法验证仿真结果,证明了回波模拟算法的正确性.结果表明船舶运动导致回波统计特征发生明显变化,该结论为船载平台下海面后向散射回波研究与海浪反演算法改进提供了先验信息与理论模型.     

基于单光子激光雷达远距离海上测距的实现

单光子激光雷达具有探测灵敏度高、响应速度快、测量精度高等优势,但在实际工作中易受到背景噪声等问题干扰。针对海面远距离平程目标测量,提出基于高速数字信号全通道实时处理(digital signal process,DSP)研究,通过分析海面上空大气溶胶对激光测量的影响,分析不同的海面能见度对测量系统造成影响的差别,对比相同海域条件下常规测距与单光子测距威力的差别,同时开展适应海面环境的单光子回波通道的数字处理算法研究。在良好天气条件下,对海岸线静止目标53 km大山(发射光学衰减10 dB)探测概率高于95%,对海上38 km运动渔船等小目标进行实时跟踪测量,获得到目标距离信息,且该系统工作稳定可靠。     

星载CO2探测频率步进扫描IPDA激光雷达回波信号反演及误差分析

设计了星载CO₂探测频率步进扫描积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达,弥补了欧洲航天局A-SCOPE项目单波长CO₂探测IPDA激光雷达对波长依赖性较强等不足.仿真计算了一个扫描周期内的激光雷达回波信号和系统的相对随机误差、大气压强不确定性误差以及频率不稳定性误差.当频率步进扫描到on-line波长为6 361.235 0 cm-1时,在海面反射率为0.035 sr-1、大气压强不确定性为0.001以及激光频率不稳定性为0.3 MHz条件下,系统综合相对误差为0.084 2%.结果表明,采用频率步进扫描方法结合IPDA激光雷达技术探测大气CO₂浓度不仅可以观察到相对误差随on-line波长变化的关系,而且可以有效地减小测量误差,使其小于0.5×10-6.      

粒子退偏比测量拉曼-米偏振激光雷达系统设计与仿真

针对米-偏振激光雷达回波信号受大气分子信号影响而只能测得体退偏比的问题,设计了一种可以测量粒子退偏比的纯转动拉曼-米偏振激光雷达。仿真了其回波信号与信噪比,结果表明系统夜晚最大探测距离可达12 km,验证了系统的可行性。利用拉曼信号校正米-偏振信号得到气溶胶和云的粒子退偏比,通过对比不同天气状况下的退偏比廓线,得出该系统更适用于高空卷云和浓度较小但退偏比较大的气溶胶粒子的退偏比测量。      

星载激光测高仪海面回波的仿真与分析

星载激光测高仪发射的1 064 nm波长激光被波动海洋表面反射,系统接收的时间波形与瞬时海面波浪分布相关。而海面波浪又直接受海面风速影响,因此可以通过观测激光测高仪回波变化监测不同风速下海态变化。本文依据激光雷达方程,利用蒙特卡洛法模拟不同风速下的海面波浪分布,通过光线追击建立海面回波波形仿真器;以地球科学激光测高系统(geo-science laser altimeter system,GLAS)参数为输入,仿真得到不同风速下的海面回波:发现当海面风速在3~10 m/s之间时,回波呈单峰高斯波形,与GLAS发布的实际回波相符;且回波脉宽,以及有效能量反射率(即有效回波能量与发射能量之比)与实测参数误差小于10%。进一步分析可知,回波特征参数与海面风速之间存在显著关联,为利用激光测高仪大规模精确反演海洋表面风速奠定了基础。     

海洋激光荧光雷达海面油膜种类鉴别研究

海洋激光雷达在探测海面油荧光方面的应用，受到广泛重视。海洋激光荧光雷达是以物质荧光谱理论为基础，将荧光技术应用于海面油膜检测领域。本文介绍了激光荧光原理，青岛海洋大学海洋激光雷达的基本结构和工作过程，以及该套系统进行海面油膜种类鉴别的使用方法和适用范围。通过实验证明，该套系统性能可靠，测量值稳定，能够进行一定程度上的油荧光测量。提出采用荧光强度435／380，435／500，435／550，3个比值作为油样荧光特性的描述值进行油种鉴别。相对其他的鉴别方法，三比值法无须配置溶液，适于现场测量。根据系统响应情况提取的特征值不但更有针对性，而且由于特性值数量多，对荧光谱分布曲线的描述更加准确。     

天基单光子激光雷达危险空间碎片探测仿真

危险空间碎片的探测与监控一直是空间碎片探测的重点与难点,现有的技术还不能实现对危险空间碎片的有效监测与定轨。针对危险空间碎片的探测,研究了一种主动式天基激光雷达探测方式。该方式采用了天基的单光子探测技术,以期实现对几百公里量级的危险空间碎片进行探测。首先简要分析了点目标激光雷达方程,建立了空间环境的背景光噪声模型,探讨了单光子激光雷达的探测概率与虚警率,对激光的回波信号与探测精度进行了理论分析与仿真,最后分析了不同目标的探测能量需求。由理论分析与仿真结果来看,对500 km处的尺寸为10 cm的目标可以实现精度为0.2 m的有效探测。     

基于激光雷达回波的动态尾涡特征参数计算

为了实现对飞机尾涡的有效检测,提高机场跑道利用率,减少飞机延误,本文以尾涡物理模型为基础,分析尾涡的环量和径向速度分布规律,并结合尾涡的下沉及消散模型,提出一种基于激光雷达回波的动态尾涡特征参数计算方法,即利用激光雷达回波数据提取尾涡流场的速度包络,解算出尾涡径向速度分布,并根据其反演出涡核位置及尾涡环量。采用仿真的动态尾涡流场激光雷达探测回波数据进行算例分析,验证了该方法的有效性。     

基于Licel记录仪的激光雷达数据修正技术研究

作为重要的大气遥感探测仪器,激光雷达在气候和环境监测中扮演越来越重要的角色。Licel数据记录仪是专门针对激光雷达所开发的数据采集仪器,可同时提供模拟探测和光子计数探测模式的数据采集。针对激光雷达模拟数据和光子计数数据的特点,开展了光子计数数据的死区时间校正、模拟数据和光子计数数据的拼接拟合以及二者数据廓线错位的修正技术研究。结果表明,修正后的激光雷达回波具有更高的信噪比和位置精度,能更清晰地归一化表达大气状态信息的变化。     

分数阶Duffing系统动态特性研究及微弱信号检测

为了进一步提高微弱信号的检测能力,在更低信噪比环境下提取微弱信号的特征信息,提出采用分数阶Duffing系统实现微弱周期信号检测。基于常规Duffing-Holmes数学模型 ,通过加入分数阶微分算子引入了分数阶Duffing方程数学模型,利用变量代换对该模型进行改进可实现任意频率的微弱周期信号检测。研究分析系统阻尼比参数变化对系统非线性动力学特性的影响,给出了最佳阻尼比参数范围;研究了微分阶次与系统临界混沌阈值变化关系,得出微分阶次与系统临界混沌阈值成反比关系的结论。分别在高斯白噪声及色噪声背景下对微弱信号进行检测与识别,大量仿真结果表明,分数阶Duffing系统检测微弱信号的最低信噪比门限值比整数阶Duffing系统降低了10 dB,提高了检测微弱信号能力。     

海洋激光雷达信号噪声的相关维和李氏指数

以机载海洋激光雷达试验数据为依据，证明了海洋激光雷达系统的相关维是一个分数，而且至少有一个正的李雅鲁诺夫指数，进一步揭示了其噪声内在的混沌特性．此项研究有可能为提高海洋激光雷达系统的检测性能提供了一条新的途径．     

小型米散射激光雷达系统设计

为了探测对流层内大气气溶胶和卷云的光学特性以及大气水平能见度等,在阐述了大气气溶胶探测原理及信号处理方法的基础上,利用二极管激光泵浦的Nd:YAG固体激光器的二倍频波长(532 nm)激光为光源,设计了一台小型微脉冲米散射激光雷达,并利用标准大气模型对系统进行了仿真计算。仿真结果表明,在探测误差小于10%条件下,系统在白天和夜晚的探测高度分别为6 km和13 km。该系统还具有对人眼安全、能全方位扫描探测等特点,可应用于城市及特定场合(如厂区,大型公共场所)的大气环境监测,也可用于沙尘暴探测及其预警预报技术的研究。     

Dynamic Reconstruction-Based Fuzzy Neural Network Method for Fault Detection in Chaotic System

This paper presents a method for detecting weak fault signals in chaotic systems based on the chaotic dynamics reconstruction technique and the fuzzy neural system （FNS）. The Grassberger-Procaccia algorithm and least squares regression were used to calculate the correlation dimension for the model order estimate. Based on the model order, an appropriately structured FNS model was designed to predict system faults. Through reasonable analysis of predicted errors, the disturbed signal can be extracted efficiently and correctly from the chaotic background. Satisfactory results were obtained by using several kinds of simulative faults which were extracted from the practical chaotic fault systems. Experimental results demonstrate that the proposed approach has good prediction accuracy and can deal with data having a -40 dB signal to noise ratio （SNR）. The low SNR requirement makes the approach a powerful tool for early fault detection.     

m序列编码激励超声探测技术研究

为了提高超声探测系统的信噪比和探测深度,根据编码激励超声探测原理,对m序列的编码发射方式和激励超声探测过程进行了仿真研究.结果表明,m序列编码激励超声探测方式能够在噪声淹没信号的情况下提取出有效的回波信号;m序列码长越长,抗干扰性能越强,编码激励超声探测方式可提高超声探测的深度和精度.     

非线性单稳态系统中基于内禀振荡的随机共振

通过考察具有内禀振荡的单稳态非线性系统的随机振荡行为,研究了内禀振荡对噪声背景中微弱信号检测性能的影响.结果表明,输出信噪比和系统信噪比增益都表现出随机共振行为;该随机共振现象依赖于系统的选频特性,而系统的选频特性源于内禀振荡.该单稳态非线性系统表现出的这种源于内禀振荡的随机共振,可能为微弱信号检测系统的设计提供新思路.     

具有周期矩形信号的延迟非对称双稳系统的随机共振

在绝热近似条件下研究了具有周期矩形信号的延迟非对称双稳系统的随机共振现象.通过小时间延迟近似方法得到了非对称双稳系统的FPK方程,并推导得出了系统在延迟情况下的信噪比表达式,进一步研究了加性噪声强度Q、乘性噪声强度D、静态非对称性r、延迟时间τ以及噪声强度比率R对信噪比SNR的影响.研究发现在延迟情况下,改变加性噪声强度比改变乘性噪声强度更容易产生随机共振,且延迟时间对信噪比的影响是与噪声强度有关的.     

用改进的线性近似方法研究单模激光损失模型随机共振

采用周期信号、具有实虚部关联的量子噪声和抽运噪声作用下的单模激光损失模型,运用改进的线性化近似方法计算得到了模型输出光强的相关函数、功率谱及信噪比.分析了激光的净增益系数、噪声强度和输入信号对信噪比(SNR)随量子噪声实虚部关联系数(λ)变化曲线的影响.研究发现了信噪比随量子噪声实虚部系数的变化出现了新的随机共振现象.     

干涉光谱仪遥感探测的信噪比研究

干涉光谱仪进行空间目标探测时有很多影响因素。通过计算太阳对目标的表面辐射,利用大气传输模型分析软件——MODTRAN分析计算在可见光到近红外范围的天空漫反射辐射和背景辐射,给出探测器接收到的信号电子数。另外分析各种噪声源,给出主要噪声源的计算方法,并以电子数为基本单位表达各噪声的大小,从而推导出干涉光谱仪接收到的信噪比（以电子数为基本单位）的一般表达式。同时,分析各种因素对成像质量的影响,提出可行的方法改善成像质量。