差分吸收激光雷达回波信号统计模型的研究
激光雷达回波信号仿真模拟
激光雷达回波信号仿真模拟研究摘要关键字第一章绪论第一节引言激光雷达（Lidar：Li ght D etection A nd R anging），是一种用激光器作为辐射源的雷达，是激光技术与雷达技术完美结合的产物。
激光雷达的最基本的工作原理与我们常见的普通雷达基本一致，即由发射系统发射一个信号，信号到达作用目标后会产生一个回波信号，我们将回波信号经过收集处理后，就可以获得所需要的信息。
与普通雷达不同的是，激光雷达的发射信号是激光而普通雷达发射的信号是无线电波，两者在波长上相比，激光信号要短的多。
由于激光的高频单色光的特性，激光雷达具有了许多普通雷达无法比拟的特点，比如分辨率高，测量、追踪精度高，抗电子干扰能力强，能够获得目标的多种图像，等等。
因此，利用激光雷达对大气进行监测，收集、分析数据，建立一个大气环境预测理论模型，这将会成为研究气候变化和寻求解决对策的一项重要武器。
第二节本文的选题意义由于投入巨大，在研制激光雷达实物之前，我们需要进行模拟与仿真研究，预测即将研制的激光雷达的各性能指标，评价总体方案的可行性。
激光雷达回拨信号仿真模拟就是利用现代仿真技术，逼真的复现雷达回波信号的动态过程，它是现代计算机技术、数字模拟技术和激光雷达技术相结合的产物。
仿真模拟的对象是激光雷达的探测没标以及它所处的环境，模拟的手段是利用计算机和相关设备以及相关程序，模拟的方式是复现包含着激光雷达目标和目标环境信息的雷达信号。
通过激光雷达回波信号的仿真模拟，进而产生回波信号，我们可以在实际雷达系统前端不具备条件的情况下，对激光雷达系统的后级设备进行调试。
第三节本文的研究思路和结构安排本文主要研究面向气象服务应用的大气激光雷达。
笔者在熟悉激光雷达的基本工作原理的前提下，学习和熟悉各种参数对大气回波能量的影响，进而学习和掌握matlab编程语言，并且根据给定的激光雷达系统参数、大气参数和光学参数，以激光雷达方程为基础，通过仿真模拟得到理想状态下的大气回波信号。
差分吸收激光雷达原理
差分吸收激光雷达原理嗨，朋友们！今天我要和大家聊聊一个超级酷的东西——差分吸收激光雷达原理。
这可不是什么枯燥的学术概念，听我一一道来，保准你会被它的神奇之处所吸引。
先来说说激光雷达吧。
想象一下，有一个超级厉害的“眼睛”，这个“眼睛”能发射出激光，就像手电筒一样，不过这个激光可不像咱们平常玩的那种简单的光。
激光雷达发射出的激光啊，遇到东西就会反射回来。
这就好比你朝着一堵墙扔一个小皮球，小皮球撞到墙会弹回来一样。
通过检测这个反射回来的激光，我们就能知道前方有什么东西啦。
是不是很神奇呢？那差分吸收激光雷达又是什么特别的存在呢？这就得从它的原理说起了。
我们都知道，不同的物质对光的吸收是不一样的。
比如说，你看到树叶是绿色的，那是因为树叶吸收了其他颜色的光，就把绿色光反射回来了。
差分吸收激光雷达就是利用了这个特性。
我有个朋友叫小李，他就特别好奇这个差分吸收激光雷达。
有一次他问我：“这东西怎么就能知道大气里有啥呢？”我就跟他解释啊。
大气里有各种各样的气体分子，就像一个大杂烩一样。
差分吸收激光雷达会发射出两种不同波长的激光。
这两种波长就像是两个不同的小侦探。
一种波长的激光会被我们想要探测的气体分子大量吸收，另一种波长的激光呢，这个气体分子对它吸收得就很少。
这就好比是两个人去参加一场比赛，一个人要完成超级难的任务，另一个人任务很轻松。
当这两种激光在大气里传播的时候，它们就开始各自的“旅程”了。
被大量吸收的那种激光，在经过含有我们要探测的气体的区域时，能量就会大大减少。
而另一种吸收少的激光呢，能量减少得就比较少。
然后呢，这两种激光都会反射回来被激光雷达接收到。
这时候啊，激光雷达就像一个特别聪明的裁判员，它能精确地测量出这两种反射回来的激光的能量差别。
就像我和另一个朋友小王讨论的时候，小王就惊叹：“这也太厉害了吧，就这么个差别就能知道有啥气体？”我告诉他，这可一点都不简单呢。
这个能量的差别可就像是一个密码，通过这个密码，科学家们就能根据事先知道的那种气体对不同波长激光的吸收特性，算出大气里这种气体的浓度了。
雷达回波信号的建模与仿真研究的开题报告
雷达回波信号的建模与仿真研究的开题报告题目：雷达回波信号的建模与仿真研究一、选题背景雷达是一种高精度的远程探测技术，广泛应用于陆地、海洋和空中等多个领域。
雷达工作原理是通过向目标发射脉冲信号，然后接收并处理目标反射的回波信号。
因此，准确模拟和仿真回波信号对于评估雷达探测性能和优化雷达系统设计至关重要。
二、研究内容本研究旨在建立雷达回波信号的数学模型，并通过电磁场仿真软件进行仿真研究。
具体内容包括以下几个方面：1. 了解雷达信号的基本原理和参数，包括脉冲宽度、重复频率等。
2. 探讨雷达回波信号的传播过程，包括传播路径、信号重构等。
3. 建立目标的电磁场模型，并考虑目标的形状、尺寸、电磁特性等因素。
4. 根据目标模型和雷达参数，建立雷达回波信号的数学模型。
5. 使用电磁场仿真软件进行回波信号的仿真研究，分析不同目标和雷达参数对信号的影响。
三、研究意义通过研究和仿真雷达回波信号，可以更好地了解雷达系统的性能和探测特性，有助于优化雷达系统设计和调整系统参数。
此外，对于实际应用中的目标识别、跟踪、导航等方面也有很大的应用价值。
四、研究方法本研究采用定量分析和数值仿真方法，主要包括以下步骤：1. 理论分析：建立雷达回波信号的数学模型，分析信号的特点和影响因素。
2. 电磁场仿真：使用电磁场仿真软件进行回波信号的仿真研究，分析不同目标和雷达参数对信号的影响。
3. 数据分析：对仿真数据进行统计和分析，得出相关结论。
五、研究计划1. 第一年：了解雷达原理和信号参数，建立目标电磁场模型。
2. 第二年：建立雷达回波信号的数学模型，并进行理论分析。
3. 第三年：使用电磁场仿真软件对回波信号进行仿真研究，并对数据进行分析。
4. 第四年：撰写论文并进行实验验证。
六、预期成果1. 建立雷达回波信号的数学模型2. 分析不同目标和雷达参数对信号的影响3. 发表研究论文4. 提供优化雷达系统设计和调整参数的参考依据。
激光雷达调研报告
关于激光雷达报告机载激光雷达的技术与市场调研1.应用背景机载激光雷达系统（Laser Detection and Ranging，简称Ladar，以前功能低级时也被称为Lidar光雷达）是一种综合应用激光测距仪、IMU（惯性测量单元：一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。
一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。
）、GPS的新型快速测量系统，是解决大比例尺三维制图的重要遥感技术手段，在地形测绘、建筑物三维建模、森林垂直结构探测，以及水利电力设计、公路铁路设计、海岸线分析等方面得到广泛应用。
20世纪60年代初出现了以测距为主要功能的激光雷达，它以高角分辨率、高速度分辨率、高距离分辨率、强抗干扰能力、良好的隐蔽性，以及出色的全天候工作能力在很多领域尤其是军事领域中得到了广泛的应用。
激光雷达技术也称机载激光雷达，它是一种安装在飞机上的机载激光系统，通过量测地面的三维坐标，生成激光雷达数据影像，经过相关软件处理后，可以生成地面的DEM模型、等值线图及DOM正射影像图。
激光雷达系统通过扫描装置，沿航线采集地面点三维数据；系统可自动调节航带宽度，使其与航摄宽度精确匹配，在不同的实地条件下，平面精度可达0.1m，采样间隔为 2～12m。
激光雷达是集激光技术、光学技术和微弱信号技术于一体而发展起来的一种现代化光学遥感手段，它使用激光作为探测波段，波长较短而且是单色相干光，从而呈现出极高的分辨本领和抗干扰能力，为其在各方面的应用奠定了重要基础。
激光雷达探测技术不仅可以获得目标地物表面的反射能量的大小，同时还可获取目标反射波谱的幅度、频率和相位等信息，用于测速和识别移动目标，在环境、生态、通信、航天等方面有着广泛的应用。
目前生产机载激光雷达系统的公司主要有Leica、 Optech、 TopoSys、 Riegl 、 IGI TopEye 、TopScan 等。
基于数值分析的雷达回波的模拟试验
基于数值分析的雷达回波的模拟试验
雷达回波的模拟试验是通过计算机模拟的方式，对雷达信号的发射和接收过程进行数值分析，以验证雷达系统的性能和效果。
首先需要构建一个数值仿真模型，包括雷达系统的发射和接收元件、目标和环境等参数。
雷达系统一般由发射天线、接收天线、发射信号源、接收器等组成。
而目标则可以是自然物体，也可以是人工模型。
环境则包括大气条件、地形、杂波干扰等。
接下来，我们需要确定仿真所需的参数，如雷达的工作频率、发射功率、接收增益、脉冲宽度等。
这些参数将影响到模拟结果的准确性和可靠性。
接着，需要确定仿真的算法和模型。
常见的雷达模拟算法包括有限差分法、时域积分法、物理光线法等。
根据需求和模型的复杂程度，选择最适合的算法。
在进行仿真试验之前，需要对模型进行验证和校准。
常见的方法包括与实际场景进行对比和与已有数据进行比较等。
进行仿真试验的时候，需要控制并记录发射和接收过程的参数和数据。
然后根据模型和算法进行计算，得到仿真结果。
对仿真结果进行分析和验证。
可以通过与实测数据进行对比，评估模型的准确性和适用性。
如果模拟结果与实测数据相符，则说明模型能够较准确地反映实际雷达系统的工作情况。
如果存在差异，则需要进一步优化模型和算法。
基于数值分析的雷达回波的模拟试验是一种有效的手段，能够帮助我们深入理解雷达系统的工作原理和性能，为雷达系统的设计和优化提供参考依据。
激光雷达回波信号及处理方法分析
激光雷达回波信号及处理方法分析摘要：本文研究的主要内容是用数字信号处理的方法来处理和分析用于大气探测的激光雷达的信号。
激光雷达的回波信号有很多种，例如：大气扰动噪声、电噪声以及背景噪声等，本文就是通过对这些大气探测的激光信号进行分析研究，并提出了一定的降噪方案，用来在一定程度上抑制部分噪声。
利用距离校正的方法来获得探测距离。
消除物理噪声采用的是mti的方法。
设计合适的滤波器，选择适当的截止频率，从而去除接收系统的各器件导致的高频的电噪声。
关键词：激光雷达；回波信号；处理中图分类号：tn958.98 文献标识码：a 文章编号：1674-7712 （2013） 08-0000-01随着雷达技术的不断提升，用于提供气象服务的雷达激光系统需要在可靠性、灵活性以及稳定性等方面做大幅度的提升。
为了满足气象服务的需求，激光雷达系统的时效性、精确性以及监测范围等都需要提出更严格的规范和要求。
因此，需要根据测风激光雷达的工作原理和工作特征，并且结合气象服务对于激光雷达系统的需求，比拟多普勒微波天气雷达系统的运行模式，对比传统激光雷达的测量手段，进一步制定用于气象服务的测风雷达系统的运行规范。
一、回波信号测风激光雷达系统包括四部分：发射激光部分、接受信号部分、采集处理信号部分。
信号由接受系统接受，再经过信号处理系统进行控制处理，最后转变为我们需要的确切的风场信息。
多普勒激光雷达系统接收到的是成指数衰减的回波信号。
距离越大，相应的噪声越大，接收到的信号能量越小[1]。
二、噪声（一）背景噪声激光雷达系统中由激光导致的噪声以及自然噪声都属于背景噪声。
自然噪声大部分是由月光、太阳光等造成的噪声。
当激光雷达系统工作在白天时，地面以及天空散射太阳光所导致的噪声是其主要作用的背景噪声。
在天空晴朗的情况下，由太阳光辐射所导致的散射分配到单位面积，相应的单位波长的功率密度的峰值（可见光区域）高达10-5wcm-2nm-1s-1，由大气中的二氧化碳以及水蒸气等吸收红外辐射所导致的很多凹陷大部分出现在0.7um以后的波长区域，在小于0.3um的区域内急剧下降主要是由于紫外辐射被地表上空的臭氧层大量吸收所导致的。
激光雷达差分吸收技术(5)
s 波长
fDrrival
Range = (c/2)TArrival 发射脉冲 高度计激光雷达 后向散射激光雷达
IT
Density = IS/IT Range = (c/2)Tarrival 发射脉冲
•
回波 时 间 TArrival r Time
冰盖质量和地形 植被 陆地地形 海洋
• • •
• •
云层 气溶胶 IS TArrival 回波 时间
障坠毁。这颗卫星的主要任务是绘制全球二氧化碳循环地理分布图。
发射失败给全球气候变化研究造成重大损失。
航天学院
美宇航局“轨道碳观测(OCO)‖升空
嗅碳卫星
谷歌地球中，绿色代表地球表面二氧 化碳，红色代表高空大气层中的二氧 化碳。 当二氧化碳经过美国海洋与大气管理 局的监测点时，谷歌地球可以实时对 其进行跟踪
散射系数
, z N ( Z ) ( )
航天学院
上述两式相比取对数，有：
N ( z ) ( ) ( )dz 2 ln P ( , R ) K ( ) P ( ) (
1
1 2 0 1 1 0 1 0
R
P ( 2 , R ) K ( 1 ) P0 ( 1 )
R
2
, z ) ( 1 , z ) dz
对上式微分，有：
d P (2 , R ) K (2 ) N (R) ln ln ( 2 , z ) ( 1 , z ) 2 ( 1 ) ( 2 ) dR P ( 1 , R ) K ( 1 ) 1
著名的基林曲线（莫 纳罗亚山站CO2变化 曲线，横坐标为年， 纵坐标为co2浓度单 位：百万分之一）， 图中照片为莫纳罗亚 山观测站。
差分吸收激光雷达回波信号实时补偿方法与流程
差分吸收激光雷达回波信号实时补偿方法与流程一、引言差分吸收激光雷达（DIAL）是一种广泛应用于大气化学研究的技术。
它可实现对气体浓度的高精度、高时空分辨率探测，是研究大气复杂化学反应过程的重要手段之一、而在DIAL系统中，由于光谱光线传输过程中的吸收、散射等因素，往往会导致回波信号存在非线性的强度变化，进而影响到测量精度和稳定性。
因此，对回波信号进行实时补偿是DIAL系统中的一个重要问题。
二、差分吸收激光雷达工作原理差分吸收激光雷达系统由两个激光脉冲序列构成，一个作为参考光束，一个作为测量光束。
两束光线发射后同时在大气中传输，然后分别被接收器接收，并产生两个时间光谱上的回波信号。
通过计算这两个光谱的差分信号可以抵消大气纯吸收的影响，得到目标气体的信号。
三、DIAL回波信号实时补偿方法和流程在DIAL系统中，由于大气散射和吸收的影响，回波信号与传输距离和强度之间的关系呈非线性变化。
为了获得准确的测量结果，需要对回波信号进行实时补偿。
回波信号的实时补偿方法一般采取的是校正因子法，即将参考光和测量光的回波信号作为输入，根据其差值计算出一个校正因子，再将其乘到回波信号上进行实时补偿。
具体的流程如下：1. 测试系统响应首先需要对DIAL系统的响应进行测试，以获取参考光和测量光的回波信号。
这可以通过激光器结束选择、调节和气体吸收测量等方法进行。
测量的结果将成为后续计算校正因子的基础。
2. 校正因子计算计算校正因子需要先检测出测量光和参考光的信号差异。
通常采用的方法是以参考光信号作为基础，进行标准化处理，然后与测量光的信号差值计算得到一个校正因子。
3. 回波信号实时补偿计算得到的校正因子可以通过编程语言实现，快速并实时地对回波信号进行补偿。
补偿后的数据将被输出并进行进一步处理和分析。
科技成果——臭氧时空分布探测差分吸收激光雷达系统
科技成果——臭氧时空分布探测差分吸收激光雷达系统技术开发单位中国科学院合肥物质科学研究院安徽光机所成果简介目前测量大气臭氧的主要方法有比色定量法、库伦原电池法、光学吸收光谱法、太阳光谱法和差分激光雷达。
差分激光雷达是一种主动遥感技术，该技术在20世纪60年代中期激光雷达测量水汽时引进，并在70年代中期得到进一步发展。
差分激光雷达通过选取两束不同波长的激光，这两个波长分别选在待测气体的强吸收截面和弱吸收截面上，利用待测吸收气体对两个激光波长的吸收差别确定两个脉冲激光共同路径上待测气体的浓度。
差分激光雷达测量的结果与其它测量手段获得的结果相比，具有高时空分辨率、测量精度高、实时在线等特点，成为测量大气臭氧时空分布的重要手段。
在863计划课题（项目编号2009AA06A311）的支撑下，车载臭氧时空分布探测差分吸收激光雷达系统为我国开展光化学烟雾和细粒子生成机理研究提供了数据基础，为我国城市群大气复合污染中的颗粒物和光化学烟雾污染防治提供了技术保障。
臭氧激光雷达系统为车载式激光雷达系统，方便野外实验，并且做到了电子元器件的三防（防尘、防湿、防电磁）。
激光器电源所需的强电与信号探测采集单元所需的弱点两相分开，消除了两者之间的相互干扰。
系统设计总体上分为三大部分：第一部分为光学发射与接收光机系统；第二部分为光电探测组件中的电子学系统，包括激光器电源、信号放大、采集和控制单元；第三部分主要为信号存储与数据处理系统。
激光器采用高功率Nd:YAG四倍频激光（266nm），输出功率1.5W，激发D2和H2获得一级Stokes频移波长，使用一套激光器系统，可以同时获得266nm、289nm、299nm、316nm四种波长输出。
利用四波长发射光学系统、多波长激光扩束镜和导光镜组，实现光源稳定、高效输出。
信号检测系统可实现高速度（40MHz采样率）、超大动态范围（100dB）的信号采集。
利用低噪声（<2mv）高压电源模块，高速前置放大器，实现模拟采集和光子计数的同步采集。
基于差分吸收激光雷达系统的信号融合研究
基于差分吸收激光雷达系统的信号融合研究摘要18世纪60年代以来，工业革命的快速发展，导致化石燃料的使用量急剧增长，加之人类活动致使森林的退化，造成了大量禁锢在岩石圈和生物圈中的碳资源主要以二氧化碳（CO2）的形式被释放到大气中，从而破坏了地球上原本稳定的碳循环系统。
CO2对热红外波段的地面辐射和红外、紫外波段的太阳辐射都具有强吸收作用，是一种正辐射强迫因子，该性质决定了它是一种温室气体。
有研究表明，全球平均温度的上升和大气中CO2浓度的增加有非常大的相关性，因此，科学家们认定CO2是造成全球气温上升、导致全球气候变化和极端天气的关键因素。
中国为了应对气候变暖带来的风险，大力发展精准探测大气中CO2浓度变化技术，为后期出台的相关低碳政策提供科学依据和保障。
到目前为止，大气中CO2浓度探测可以分为两种方法。
一种是主动式测量，另外一种是被动式测量。
被动遥感指的是系统本身并没有辐射源，主要由传感器接收和记录大气层中的物质本身由于热辐射而发射出的电磁波信息或其他自然辐射源（如太阳）发射出的电磁波信息。
虽然其探测方式有多种，但其受限于各种外在条件和内在的缺陷，导致无法得到高精度的探测结果。
主动遥感指的是系统本身安装有辐射源，然后通过系统自带的辐射源向目标物发射特定波长的激光，激光在遇到目标物之后，经过散射、反射等作用传回回波信号，再由传感器接收和记录这种回波信号的测量系统。
大气中CO2浓度主动式探测方法以差分吸收激光雷达(differential absorption lidar,DIAL)为主，其具备高精度探测、受外界环境影响小、激光光束能量稳定性强等优势。
本文的研究依托于一台地基CO2-DIAL，主要探测低空（低于3000米）大气中二氧化碳柱浓度信息。
利用差分吸收激光雷达测量CO2浓度信息的过程中，接收系统采集回波信号主要有两种形式，一种是模拟采集模式（Analog Signal），一种是光子计数采集模式（Photon counting Signal）。
星载二氧化碳路径积分差分吸收激光雷达反演算法及应用
星载二氧化碳路径积分差分吸收激光雷达反演算法及应用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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基于数值分析的雷达回波的模拟试验
基于数值分析的雷达回波的模拟试验雷达回波模拟试验是一种基于数值分析的方法，用于模拟雷达接收到的回波信号。
该试验通过分析物体与雷达波的相互作用，计算得出回波信号在时间和空间上的变化。
本文将介绍基于数值分析的雷达回波模拟试验的原理和方法。
为了能够准确地模拟雷达回波信号，需要建立一个合适的数学模型。
在雷达回波模拟试验中，常用的数学模型有散射模型和波动模型两种。
散射模型基于物体的几何形状和物质属性，计算物体对雷达波的散射参数。
波动模型基于雷达波在传播过程中的波动特性，计算回波信号的强度和相位。
对于回波信号的模拟，需要考虑雷达波的传播过程和物体的散射特性。
传播过程可以通过雷达方程和波动方程来描述。
雷达方程描述了雷达波的传播速度、角度和距离等参数，可以计算出回波信号的时间延迟和功率。
波动方程描述了回波信号在传播过程中的波动特性，可以计算出回波信号的频率和相位。
然后，根据建立的数学模型和物理方程，可以使用数值方法对回波信号进行模拟。
常用的数值方法有有限差分法和有限元法两种。
有限差分法将求解区域划分成网格，根据数值离散方法计算出每个网格点的回波信号。
有限元法将求解区域划分成有限元，通过有限元法求解偏微分方程得到回波信号。
进行模拟试验时，需要选择适当的参数和边界条件。
参数包括雷达波的频率、功率和频宽，物体的几何形状和散射特性。
边界条件包括回波信号的辐射条件和吸收条件等。
通过调整参数和边界条件，可以得到不同条件下的回波信号，进一步分析和研究其特性和影响因素。
基于数值分析的雷达回波模拟试验是一种重要的研究方法，可以通过建立数学模型和物理方程，采用数值方法模拟雷达回波信号。
通过该试验，可以研究回波信号的散射特性、传播特性和波动特性，为雷达信号处理和目标识别提供理论基础和实验依据。
CO2连续波差分吸收激光雷达信号检测及数值处理的开题报告
CO2连续波差分吸收激光雷达信号检测及数值处理的开题报告一、研究背景及意义：气候变化是当今世界面临的巨大挑战之一，其中大气中CO2浓度的增加是一个引起广泛关注的问题。
测量CO2浓度是研究气候变化的重要手段，传统的气象观测方法如探空和地面观测只能提供点测量数据，无法提供全局变化趋势。
利用激光雷达技术实现大气中CO2浓度的三维探测和高时空分辨率的连续观测成为一种新的研究手段，且已经应用于实际气象观测中。
二、研究内容：本次研究的内容主要是基于CO2连续波差分吸收激光雷达（DIAL）的信号检测和数值处理，旨在提高气象观测数据的精度和可靠性，促进气候变化领域的研究。
1. CO2 DIAL的信号检测CO2 DIAL的信号检测是指利用激光雷达仪器探测大气中CO2含量的浓度分布，得到干涉信号，进行有效的峰值计算、峰值拟合和定标校准等处理步骤，从而得到准确的CO2浓度数据。
本次研究将探讨常见的峰值间隔检测算法和信号处理方法，包括差分算法、平滑滤波算法、自适应滤波算法等，以提高CO2 DIAL的信号检测效率和精度。
2. CO2 DIAL的数值处理CO2 DIAL的数值处理是指利用探测得到的CO2浓度数据，进行最小二乘拟合和Kalman滤波等处理，以消除测量误差和环境干扰，得到准确的大气CO2浓度分布图。
本次研究将结合实际CO2 DIAL观测数据，对常见的数据处理算法和软件进行优化和测试，以提高气象观测数据的可靠性和精度。
三、研究方法：本次研究将结合实际CO2 DIAL观测数据，借助Matlab等数学软件进行信号处理和数值处理，采用最小二乘拟合和Kalman滤波等算法，对气象观测数据进行优化和校准。
四、研究计划及进度：本次研究计划于2022年开始，至2024年6月完成，主要进度如下：2022年6月至2023年6月：熟悉CO2 DIAL测量原理、信号处理和数值处理方法，并收集相关文献资料；2023年7月至2024年4月：采集实际CO2 DIAL观测数据，进行峰值计算、峰值拟合和定标校准等信号处理步骤，并进行最小二乘拟合和Kalman滤波等数值处理步骤；2024年5月至6月：对研究结果进行分析和总结，撰写毕业论文。
差分吸收激光雷达的信号处理技术
差分吸收激光雷达的信号处理技术
尹世荣;王蔚然
【期刊名称】《遥测遥控》
【年(卷),期】2005(026)002
【摘要】针对差分吸收激光雷达系统,研究信号平均和卡尔曼滤波两种信号处理技术,并进行了数值仿真.通过仿真可以看出,采用信号平均和卡尔曼滤波技术都可以很好地估计出待测气体的浓度-光程积,大大地提高测量精度,同时也将两者的性能进行了比较.
【总页数】4页(P9-12)
【作者】尹世荣;王蔚然
【作者单位】电子科技大学电子工程学院,成都,610054;电子科技大学电子工程学院,成都,610054
【正文语种】中文
【相关文献】
1.国外差分吸收激光雷达探测大气水汽廓线的研究进展 [J], HONG Guang-lie;LI Jia-tang;KONG Wei;SHU Rong
2.连续波差分吸收激光雷达探测路径大气CO2平均浓度 [J], 洪光烈;梁新栋;刘豪;章桦萍;舒嵘
3.基于差分吸收激光雷达有毒有害气体遥测进展 [J], 梁晓峰;杨泽后;王顺艳;陈涌;陈春利;李晓锋;李晶;周鼎富
4.3.4μm处NO2吸收光谱特性及在差分吸收激光雷达中的应用 [J], 蔡镐泽;卜令
兵;龚宇;杨彬;周军
5.NO_(2)差分吸收激光雷达技术研究进展 [J], 成远;张振;华灯鑫;宫振峰;梅亮因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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们的模型主要针对机载系统 ,所以在研究中没有考 虑大气湍流导致的激光闪烁对回波信号的影响 。 Magnot ta 等[10] 在近地面的实验中发现除斑纹等噪 声外 ,大气湍流导致的激光闪烁也会对回波信号产 生明显的影响 。但是 ,直到现在差分吸收激光雷达 系统的回波信号统计模型一直没有考虑大气湍流导 致的激光闪烁的影响 。目前 ,差分吸收激光雷达主 要采用地基系统或车载系统进行远距离气体浓度探 测 ,因而要精确地描述回波信号 ,必须切实考虑大气 湍流导致的激光闪烁 、目标反射斑纹 、接收噪声和发 射功率波动的影响 。本文正是针对已有模型的缺陷 和应用 、研究的需要 ,综合考虑多种因素的影响 ,提 出了一种改进的长程差分吸收激光雷达回波信号统 计模型 ,该模型具有更高的计算精度 。另外 ,本文还 对该统计模型进行了数值仿真 ,把由该模型得到的 直接探测信噪比与文献 [ 5 ,10 ] 的信噪比进行了比 较 ,结果表明大气湍流导致的激光闪烁将对回波信 号的统计特性产生明显的影响 ,同时也验证了本文 所提模型比已有模型更精确 、更符合实际 。
尹世荣1 王蔚然1 李新山2
1 电子科技大学电子工程学院 , 成都 610054 2 成都军区空军司令部 , 成都 610041
摘要 : 差分吸收激光雷达回波信号统计模型是研究差分吸收激光雷达系统的基础 ,但是现有的统计模型中均没 有考虑大气湍流导致的激光闪烁对回波信号的影响 。针对已有统计模型的缺陷和应用需要 ,综合考虑了大气湍流 导致的激光闪烁 、目标反射斑纹 、接收噪声以及发射功率波动对回波信号统计特性的影响 ,提出了一种改进的长程 差分吸收激光雷达回波信号统计模型 ,分析了该模型的统计特性 。仿真结果表明大气湍流导致的激光闪烁对回波 信号统计特性的影响十分显著 ,同时也验证了该统计模型比已有统计模型更精确 、更符合实际 。 关键词 : 大气光学 ; 回波信号 ; 统计模型 ; 差分吸收激光雷达 ; 大气湍流 ; 闪烁 中图分类号 : TN958. 98 文献标识码 : A
第 25 卷 第 1 期 2005 年 1 月
光
AC TA
学 学 O P TICA
报 SIN ICA
Vol. 25 ,No . 1 J anuary , 2005
文章编号 : 025322239 (2005) 012125
差分吸收激光雷达回波信号统计模型的研究
C2n
h0 + ( R - η)
H - h0 R
0
[η/ (2 R) ]5/ 6 (2 R - η) 5/ 6 dη.
× (5)
图 1 倾斜传输几何关系 Fig. 1 Geometry involved in slant path propagation
calculations
2. 2 斑纹调制因子 msp 来自目标反射斑纹的噪声也属于乘性噪声[5 ,11] ,
。σ2sc
即
为大气湍流导致的激光归一化光强方差 ,其计算公
式如下 :
σ2 sc
=〈[
I - 〈 I〉]2 〈 I〉2
〉
=
e xp
(4σχ2 )
-
1,
(2)
其中 I 为激光光强〈; ·〉为统计平均 ;σχ2 为对数幅度
方差 。通常情况下激光器发射光束为高斯光束 ,在近
轴方向可作球面波近似 :
L
∫ σχ2 ( L ) = 0. 56 k7/ 6 C2n (η) (η/ L ) 5/ 6 ( L - η) 5/ 6 dη, 0
1 引 言
自从 1974 年 Schotland 提出了差分吸收激光 雷达的基本理论以来[1] ,差分吸收激光雷达技术已 经被广泛地用于大气污染检测 、环境监测 、工业气体 泄漏监控以及生化战剂探测等工业民用和军事领 域 。回波信号统计模型是研究差分吸收激光雷达系 统的基础 ,是计算回波信号功率 ,预测系统性能的关 键 ,是对整个系统进行设计 、仿真和性能评估的出发
作者简介 : 尹世荣 (1977～) ,女 ,贵州人 ,博士研究生 ,主要从事差分吸收激光雷达系统建模仿真及信息处理研究工作 。 E2mail : mail2ysr @163. co m 。
收稿日期 : 2003210213 ; 收到修改稿日期 : 2004202216
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光 学 学 报 25 卷
1 期 尹世荣等 : 差分吸收激光雷达回波信号统计模型的研究
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斑纹调制因子 msp 是正态随机变量 ,其均差为[13]
σ2 sp
= 1/ R2sp
=
κ1
S2
RS (Δx ,Δy) μA (Δx ,Δy) 2 dΔxdΔy ,
(6)
其中 Rsp 为斑纹信噪比 ; S 为接收孔径面积 ; RS (Δx ,
Δy) 为接收孔径自相关函数 , 只与孔径形状有关 ;
μA (Δx ,Δy) 为复相干系数 。
对于 TEM00 横基模高斯光束和圆形接收孔径 ,
斑纹方差可简化为[ 9 ]
σ2 sp
=
(1 + Drec / Dcorr ) - 2 ,
Aexp ( - h/ 100) ,
(4)
其中 h 为离地高度; W 为风速 ; A 为近地面大气折射
率结构常数。对于图 1 所示的单基地激光雷达倾斜传
输情况 ,即发射机和接收机高度为 H ,目标高度为 h0 , 倾斜距离为 R 的情况 , (3) 式可修改为
R
∫ σχ2 = 1. 12 k7/ 6
2 回波信号统计模型
根据反射目标的不同 ,差分吸收激光雷达可以 分为距离分辨差分吸收激光雷达和长程差分吸收激 光雷达 。长程差分吸收激光雷达由于作用距离较 远 ,而被广泛应用 ,本文就长程差分吸收激光雷达的 回波信号统计模型进行研究 。
大气湍流导致的激光闪烁和目标反射斑纹一样 属于乘性噪声[11] ,这样在统计模型中引入乘性的闪 烁调制因子 msc , 就可得到改进的回波信号统计模 型 。对于长程差分吸收激光雷达 ,来自地形目标或合 作目标的波长为λi 的回波信号 Pr ( i) 有如下形式 :
Pr ( i) = Pt ( i) msc ( i) msp ( i) G( R) ×
N
∑ exp - 2 αli CL l + k ( i) R + n( i) , (1) l =1
其中 Pt ( i) 为激光脉冲发射功率 ; msc ( i) 为闪烁调制 因子 ,下标 sc 表示闪烁 ( scintillatio n) ; msp ( i) 为斑纹 调制因子 ,下标 sp 表示斑纹 ( speckle) ; G( R) 为与激 光雷达系统和距离有关的参量 ; N 为同时测量的气 体种类数目 ;αli 为第 l 种气体在波长λi 处的吸收系 数 ; CL l 为第 l 种气体的浓度 光程积 ; k ( i) 为自然大 气的消光系数 ; R 为发射机到目标的距离 ; n( i) 为接 收噪声 。
点 。最早的回波信号模型是在通用激光雷达方程的 基础上建立起来的 ,即在激光雷达方程中加入了由 探测气体引入的透过率[2～4 ] 。Russell[5 ] 在回波信号 统计模型中引入了乘性的斑纹调制因子 ,得到了更 为精确的回波信号统计模型 ,并且得到了广泛的应 用[6～8] ,但该模型的不足之处在于没有考虑大气湍 流导致的激光闪烁的影响 。Mark 等[9] 虽然从理论 上阐述了大气湍流导致的激光闪烁统计特性 ,但他
(7)
其中 Drec 为接收孔径 ; Dcorr 为斑纹相干直径 , 其计算
公式为
Dcorr = 4λR/ (πDtar ) .
(8)
其中 Dtar = 2 2ρs + Rθ为目标处的光束直径 ,ρs 为短 期光束扩展后的半径 ,θ为光束束散角。 2. 3 接收噪声 n
目前 , 已 有 大 量 文 献 对 接 收 噪 声 进 行 了 讨 论[7 ,14～16] ,这里只对接收噪声做一个简要的分析 。接 收噪声主要包括光子噪声 、探测器噪声和放大器噪
A bs t r act : The ret ur n signal s tatistical model of diffe re ntial absorp tion lidar ( DIAL ) is t he basis of st udying differe ntial absorp tion lidar . Howeve r , t he know n s tatis tical models ignored t he effect of laser scintillation res ulting f rom at mosp he ric t urbule nce on ret ur n signal . Wit h considering effects of laser scintillation res ulting f rom at mosp he ric t urbule nce , target reflective sp eckle , receiving noise and t he fluct uation of t rans mit ted p ower , a revised ret ur n signal s tatis tical model of long2range DIAL is p rese nt ed and t he s tatis tical characteristics of t his model are analyzed. The simulation res ults s how t hat lase r scintillation res ulting f rom at mosp he ric t urbule nce has an imp ortant effect on t he s tatis tical characte ris tics of ret ur n signal and ve rif y t his statistical model more accurate and reasonable than other known models . Key w o r ds : at mosp he ric op tics ; ret urn signal ; s tatis tical model ; differe ntial absorp tion lidar ; at mosp he ric t urbulence ; scintillation