[发明专利]一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于相干激光测风雷达技术领域，尤其涉及一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法。

背景技术

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(Discrete Fourier Transform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。

发明内容