基于EMD的多普勒测风激光雷达信号处理方法研究

摘要

风是气候学和大气动力学研究的重要参数之一，大气中风速的精确测量对研究全球气候变化，提高数值天气预报的精度，减小各种气象灾害的影响等方面具有重要的意义。多普勒测风激光雷达以其高分辨率、高精度、大探测范围，能提供全球晴空条件下三维风场信息的能力，引起了世界上多个国家的关注和重视。
　　 本文主要研究了基于双Fabry-Perot标准具鉴频的直接探测多普勒测风激光雷达及其信号处理方法。详细的分析了Fabry-Perot标准具的频谱响应函数；对双Fabry-Perot标准具的长期稳定性对风速反演的影响进行了分析。针对激光雷达信号的非平稳性，分析了中值滤波和小波滤波方法对该种信号处理时所存在的问题；本文采用经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)方法对直接探测多普勒激光雷达信号进行处理。当信号包含较强的逆变信息时，直接使用EMD方法可能会存在模态混叠的缺点；本文提出信号分段采用EMD方法处理，即是利用连续小波变换模极大理论和统计检测理论对激光雷达信号的强度起伏进行检测；检测出的信号强逆变区域保留不参与EMD方法处理，信号的其余部分则使用EMD方法处理。信号分段采用EMD方法处理可有效的消除模态混叠现象。最后对三种方法进行了比较，结果表明了EMD方法的有效性。

目录

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第一章综述

§1.1相干探测多普勒测风激光雷达

§1.1.1气体相干探测系统

§1.1.2固体相干探测系统

§1.1.3星载相干探测系统

§1.2直接探测多普勒测风激光雷达

§1.2.1边缘技术

§1.2.2条纹技术

§1.2.3星载直接探测系统

第二章直接探测多普勒测风激光雷达信号与系统工作原理

§2.1激光雷达大气后向散射信号

§2.1.1激光雷达方程

§2.1.2几何重叠因子

§2.1.3信噪比

§2.1.4信号平均

§2.1.5背景杂波的抑制[64]

§2.1.6距离校正信号

§2.2直接探测多普勒测风激光雷达

§2.2.1 Fabry-Perot标准具及其鉴频原理

§2.3.1基于双Fabry-Perot标准具的测风激光雷达系统

第三章 两种常用的激光雷达信号处理方法

§3.1中值滤波

§3.1.1中值滤波方法的原理及实现

§3.1.2中值滤波存在的问题

§3.2小波变换

§3.2.1傅立叶变换和短时傅立叶变换

§3.2.2离散小波变换的实现

§3.2.3小波滤波存在的问题

第四章基于经验模态分解的激光雷达信号处理方法研究

§4.1 EMD方法

§4.1.1 EMD分解的思想

§4.1.2希尔伯特变换

§4.1.3正交完备性

§4.1.4基于EMD的激光雷达信号滤波

§4.2激光雷达信号分段处理方法

§4.2.1小波变换模极大[82]

§4.2.2中心极限定理[84,85]

§4.2.3 3σ准则[86]

第五章三种处理方法处理结果的比较

§5.1定性比较

§5.2基于数值模拟的定量比较

附图

总结

附录

参考文献

发表文章和国家发明专利目录

致谢