脉冲相干激光测风雷达宽带中频信号数字处理算法

摘要

脉冲体制相干激光测风雷达,采用载有多普勒频率的大气回波信号与本振参考信号相干接收的处理方式,对多普勒频率进行提取并应用数字信号处理技术进行频谱分析,得到接近真实值的风场信息。
　　本课题的主要研究内容是宽带(40MHz)雷达回波信号的处理,针对数字中频技术,提出两种宽带中频回波信号的处理方案,并进行Matlab环境下的数值仿真。由于大气回波信号信噪比很低,待处理信号是微弱信号,因此,本文在Matlab环境下模拟信噪比极低的微弱信号并进行多普勒频率信息的提取。
　　首先,介绍脉冲相干激光测风雷达的工作原理和信号处理的基本理论。这里主要介绍大气对脉冲信号的衰减作用,数字信号处理模块中回波信号模数转换的采样原理,中频接收理论,以及数字下变频原理。
　　其次,根据本课题的中频频率f0=105MHz,信号带宽B=40MHz等具体参数,应用带通采样原理和数字控制振荡器的方便性设计采样率。并在数字信号处理的理论基础上,设计低通滤波器,针对宽带回波信号数字下变频设计两套方案,即数字混频法和多相滤波法。
　　然后,大气回波信号的信噪比在-40dB～-20dB之间,这样的微弱信号信噪比极低,在Matlab环境下模拟大气回波信号,说明信噪比对频谱分析的影响。分析不同脉冲重复周期的随机相位问题,去除该随机相位,研究信号提取的方法,即相干积累的方法提高信噪比。
　　最后,针对本课题提出的两种宽带回波信号处理算法,分别进行Matlab环境下的软件仿真实验。考虑信噪比和随机相位等问题的综合因素,编写代码,采用控制变量法说明相干积累次数和信噪比因素对回波信号处理的影响。并且分析比较两种算法的优劣,在能得到风速信息的情况下,多相滤波法的标准偏差在1m/s内,是较好的宽带信号处理方法。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1相干激光测风雷达

1.2.2数字下变频技术

1.3 主要研究内容及结构安排

第2章 相干激光测风雷达数字信号处理的关键问题

2.1 引言

2.2 激光雷达工作原理

2.2.1 脉冲相干激光测风雷达风速测量原理

2.2.2 大气带来的衰减

2.3宽带中频信号正交采样

2.4 数字下变频

2.4.1 中频接收的基本原理

2.4.2 正交混频法

2.4.3 多相滤波法

2.5 本章小结

第3章 宽带中频信号数字接收机的设计

3.1采样率的确定

3.2 数字下变频的实现方法

3.3信号提取的方法

3.4快速FFT及谱分析算法

3.5 本章小结

第4章 宽带中频信号数字处理算法的仿真实验

4.1 引言

4.2利用软件进行参数模拟

4.2.1 模拟大气中的回波信号

4.2.2随机相位问题

4.3 软件仿真

4.3.1 多相滤波法仿真

4.3.2 I、Q正交解调法仿真

4.3.3 两种方法的对比分析

4.4本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致 谢