基于相关法的非多普勒激光测风雷达光学设计与数据处理研究

摘要

近些年，随着对风电资源的日益重视，激光测风雷达技术开始受到广泛的关注。现有的激光测风雷达技术一般采用相干外差探测法和非相干直接探测法，这两种探测技术都是基于多普勒效应原理，通过对气溶胶的后向散射回波信号进行多普勒频移探测，进而获取大气风场中的风速信息。这种基于多普勒原理的测风雷达不仅结构相对复杂、成本偏高，而且对光学元器件的精度要求严格。
　　针对现有多普勒激光测风雷达的不足之处，本文设计了一种基于相关法的非多普勒激光测风雷达。该雷达通过对气溶胶后向散射回波信号强度的直接探测，利用相关算法来进行风速反演，因此对光学元器件的要求相对较低，制作成本也相对较低。
　　本文的主要研究内容如下：
　　1.为实现4组扫描激光的发射和回波信号的接收，设计了相关法测风雷达的发射和接收光学系统。基于组合透镜的模式的发射系统，可以实现4束扫描激光的准直。利用ZEMAX光学设计软件建立准直扩束模型，仿真结果表明，波前像差最大均方根（RMS）值为0.2148?，小于0.25?，满足了像质评价要求，实现了对于1.55μm激光的准直。基于马克苏托夫望远镜的接收系统，能够完成对4束回波信号的接收。通过在主镜和矫正镜之间增加一个凸透镜，缩短了接收系统的长度，有利于系统的小型化实现。通过对接收系统的ZEMAX仿真分析，表明该系统基本满足了信号接收的要求。
　　2.根据相关算法原理，求得了相关法的非多普勒激光测风雷达的相关函数公式。通过二维气溶胶密度图谱的展现，直观阐述了相关比较算法的流程和原理。为了验证相关法激光测风雷达对于风速探测的准确性，利用风杯仪测得的风速与相关法雷达测得的风速进行线性拟合，风速和风向的拟合斜率均接近于1，表明相关法激光测风雷达能够精确测量风速信息。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外激光测风雷达的研究与发展

1.3 本论文的主要研究内容

2 激光测风雷达工作原理

2.1 激光雷达基本工作原理

2.2 气溶胶的米氏散射理论

2.3 基于多普勒原理的激光测风雷达

2.4 基于相关法的非多普勒激光测风雷达

2.5 相关法激光测风雷达的优势

2.6 本章小结

3 相关法激光测风雷达光学系统设计

3.1 雷达发射光学系统设计

3.2 雷达接收光学系统设计

3.3 本章小结

4 激光测风雷达的相关算法

4.1 相关算法理论介绍

4.2 基于相关法的数据处理

4.3 相关法测风雷达性能验证

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果