Методы и алгоритмы обработки сигналов ветровых когерентных доплеровских лидаров

• Автор: Мишина, Ольга Александровна
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 156 с. : ил.

Оглавление
Оглавление
Введение
Глава 1. Анализ ветровых когерентных доплеровских лидаров.
1.1. Физические основы измерения скорости ветра когерентными доплеровскими лидарами.
1.2. Обзор ветровых когерентных доплеровских лидаров.
1.3. Обработка сигналов ветровых когерентных доплеровских лидаров.
Выводы по 1 главе.
Глава 2. Ситуационный подход к информационному обеспечению ВКДЛ.
2.1. Ситуационный подход к управлению информационными системами.
2.2. Математическая модель сигнала ветрового когерентного доплеровского лидара.
2.3. Модель спектра сигнала ветрового когерентного доплеровского лидара.
Выводы по 2 главе.
Глава 3. Обоснование и выбор методов и алгоритмов обработки сигналов ветрового когерентного доплеровского лидара
3.1. Обоснование структурной схемы обработки сигналов ветрового когерентного доплеровского лидара.
3.2. Аппроксимационные методы внутриимпульсной обработки.
3.2.1. Метод сплайн-аппроксимации.
3.2.2. Метод гауссовой аппроксимации.
3.3. Метод с использованием порядковых статистик.
3.4. Сравнение методов внутриимпульсной обработки.
3.4.1. Исследование метода сплайн-аппроксимации.
3.4.2. Исследование метода гауссовой аппроксимации.
3.4.3. Исследование метода с использованием порядковых статистик.
3.4.4. Сравнение методов внутриимпульсной обработки.
3.5. Алгоритм рекуррентной фильтрации измерений
на этапе междуимпульсной обработки.
Выводы по главе 3.
Глава 4. Результаты обработки экспериментальных данных и рекомендации по обоснованию структуры информационного обеспечения.
4.1 Обработка экспериментальных данных
ветровых когерентных доплеровских лидаров
4.1.1. Обработка экспериментальных данных импульсного ветрового когерентного доплеровского лидара
4.1.2. Обработка экспериментальных данных непрерывного ветрового когерентного доплеровского лидара с коническим сканированием
4.2 Рекомендации по обоснованию структуры
информационного обеспечения.
Выводы по главе 4.
Заключение.
Список литературы.
Введение
Оперативный высокоточный мониторинг текущей ветровой обстановки очень важен в районе крупных аэропортов с целью обеспечения безопасности полётов [1, 2, 3], для исследования атмосферных вихрей в задаче
прогнозирования погодных условий [4, 5, 6, 7], а также при проведении экологического мониторинга в местах выброса в атмосферу загрязняющих веществ [8]. Традиционным методом оценивания скорости ветра является использование прямых датчиков или акустических анемометров, устанавливаемых на метеорологических мачтах [9]. Однако для определения параметров структуры поля скоростей ветра в настоящее время все большее распространение получают системы дистанционного зондирования. Они обладают несравнимо большей оперативностью, информативностью и точностью.
Все дистанционные методы оценивания скорости ветра подразделяются на четыре класса [4]: радиолокационные, акустические, радиоакустические и лидарные.
Основные ограничения аппаратуры первых трёх методов заключаются в том, что:
1. Радиолокационные устройства не измеряют параметры ветра при отсутствии осадков или специальных трассеров в атмосфере.
2. Радиоакустическая аппаратура чрезвычайно чувствительна к искажению формы фронта отраженного от акустической волны радиосигнала. Такие искажения возникают в условиях сильной турбулентности в атмосфере.
3. Применение акустических систем достаточно эффективно только в случае низкого уровня акустических шумов. В результате, использование такой аппаратуры при наличии высоких шумовых помех, например, на аэродромах, практически невозможно.
Относительно лидарного метода необходимо отметить следующее. Достаточно высокая частота посылок зондирующего импульса лазера делает

Отметим также, что структурная схема обобщенного ВКДЛ в случае практической реализации в существенной степени зависит от уровня развития радиоэлектронной техники. В частности, в ВКДЛ в основном применяется моностатическая коаксиальная схема (а=я).
Лазерное излучение с высокой степенью стабилизации частоты, пройдя через вспомогательную оптику, посылается через телескоп в атмосферу. Оптический блок лазерного передатчика выполняет функции по улучшению коллимации пучка, таким образом, осуществляет пространственную фильтрацию и отсекает нежелательное излучение. Далее эхо-сигнал через приёмную оптическую систему попадает на приёмник, на котором и происходит гетеродинное смешение излучений эхо-сигнала и сигнала от гетеродина.
В основе гетеродинного детектирования лежит явление интерференции двух волн на чувствительной площадке матричного фото детектора [38].
Затем в системе обработки сигналов с помощью цифровых методов осуществляется оценка ветровых характеристик атмосферы,
1.3. Обработка сигналов ветровых когерентных доплеровских
лидаров
Вопросам обработки сигналов когерентных оптико-электронных систем посвящено достаточно много работ [39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46], в результате анализа которых можно сделать вывод, что для оценки скорости ветра посредством ВКДЛ информация, которая содержится в каждом отраженном от атмосферного аэрозоля импульсе, может быть обработана с привлечением таких методов, как:
1. Оценивание по аргументу корреляционной функции (АКФ - метод);
2. Обработка по критерию максимума правдоподобия;
3. Спектральный анализ.