本發(fā)明屬于相干激光測風(fēng)雷達(dá)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種滑窗dft用于相干激光測風(fēng)雷達(dá)譜分析方法。
背景技術(shù)：
：相干激光測風(fēng)雷達(dá)以氣溶膠和空氣分子為目標(biāo)，探測其后向散射信息，是能真實(shí)有效地反演大氣三維風(fēng)場的探測設(shè)備，在氣象監(jiān)測、能源開發(fā)、航空保障等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。尤其對于航空保障，風(fēng)速的精確觀測對風(fēng)切變的識別十分重要。與常規(guī)電磁波段天氣雷達(dá)相比，激光雷達(dá)工作波長短，單位徑向多普勒速度產(chǎn)生的頻移較大，其頻譜分析通常在距離維完成，即對徑向采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相干積累后按距離分辨率劃分成若干采樣段，再逐段進(jìn)行dft(discretefouriertransform離散傅里葉變換)。脈沖體制相干測風(fēng)激光雷達(dá)的距離分辨率與頻譜分辨率相互約束，且受發(fā)射脈沖寬度限制。長脈寬體現(xiàn)較高的頻譜分辨率，窄采樣脈寬體現(xiàn)較高的距離分辨率。在經(jīng)典譜估計(jì)中，頻譜分辨率越高，譜峰位置越接近真實(shí)值，徑向速度測量越精確，但高頻譜分辨率往往伴隨著低距離分辨率。相干激光測風(fēng)雷達(dá)的激光發(fā)射器發(fā)射一個(gè)寬度為τ的脈沖，大氣分子的后向散射信號經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)相干檢波后由光電探測器輸出，信號處理器對回波信號進(jìn)行ad采樣、距離庫劃分、dft。對于有限長序列，頻譜分辨率為：1/τ，其中τ為采樣時(shí)長(脈沖體制雷達(dá)通常定義為脈寬)。此技術(shù)得到的距離分辨率為：cτ/2(c為光速)，頻譜分辨率為1/τ，二者互為倒數(shù)關(guān)系，這也是二者不能同時(shí)得到改善的原因所在。以工作在波長λ＝1.55μm，脈沖寬度為τ＝200ns，采樣率fs＝400mhz的激光雷達(dá)為例，其距離分辨率為：cτ/2＝30m，每個(gè)距離庫的采樣點(diǎn)數(shù)為：n＝80，其頻譜分辨率為：fs/n＝5mhz。1m/s的多普勒速度產(chǎn)生的單位頻移為：2v/λ≈1.29mhz，由頻譜分辨率可得速度分辨率為：5/1.29≈3.87m/s，其探測精度有限。目前有下列方法以期待改善解決，采用信號補(bǔ)零的方式提高有限長序列的頻譜分辨率，但補(bǔ)零后生成的譜為偽譜，且將產(chǎn)生較大副瓣，降低信噪比，影響雷達(dá)回波譜寬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量。對頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行樣條函數(shù)插值，該方法能有效改善譜中心的估計(jì)精度。但考慮到相干激光測風(fēng)雷達(dá)回波信號為窄帶信號，譜峰附近可用于插值計(jì)算的樣點(diǎn)個(gè)數(shù)有限，并且插值結(jié)果的好壞受信噪比的影響較大，樣條函數(shù)插值會帶來大量運(yùn)算，降低信號處理的實(shí)時(shí)性。因此，將插值方法用于激光雷達(dá)譜分析有一定局限性。脈沖壓縮技術(shù)，可極大改善脈沖體制雷達(dá)的距離分辨率。但相干激光測風(fēng)雷達(dá)工作波長極短，其單位多普勒頻移遠(yuǎn)大于脈沖重復(fù)頻率prf。另一方面，對激光的調(diào)制與解調(diào)的不易實(shí)現(xiàn)。從而限制了脈沖壓縮技術(shù)在相干激光雷達(dá)的應(yīng)用。在常規(guī)譜分析技術(shù)下，脈沖體制相干激光測風(fēng)雷達(dá)仍然面臨著頻譜分辨率與距離分辨率不能同時(shí)提高的矛盾。大氣作為流體，它的運(yùn)動規(guī)律遵循流體力學(xué)的基本定律。大氣運(yùn)動按水平尺度和垂直尺度可分為大、中、小、微四類尺度，最小尺度為100～1000米，通常比激光雷達(dá)脈寬τ所決定的距離分辨率大很多。根據(jù)大氣中氣溶膠/空氣分子空間運(yùn)動的連續(xù)性，在一定的探測范圍內(nèi)，所測得的徑向數(shù)據(jù)中相鄰距離庫采樣數(shù)據(jù)會有較大相關(guān)性，且相位連續(xù)，這為本方案增加dft分析點(diǎn)數(shù)帶來了可行性。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：信號補(bǔ)零方法，產(chǎn)生較大副瓣，改變了雷達(dá)信號的譜寬值；樣條函數(shù)插值技術(shù)，插值樣本過少，實(shí)時(shí)性差，精度受信噪比影響較大；現(xiàn)有脈沖壓縮技術(shù)不能應(yīng)用于相干激光雷達(dá)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種滑窗dft用于相干激光測風(fēng)雷達(dá)譜分析方法。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種滑窗dft用于相干激光測風(fēng)雷達(dá)譜分析方法，所述滑窗dft用于相干激光測風(fēng)雷達(dá)譜分析方法基于脈沖體制相干激光測風(fēng)雷達(dá)的距離分辨率與頻率分辨率不可同時(shí)提高的矛盾，采用滑窗dft方法；通過引入前后距離庫的采樣數(shù)據(jù)以增加傅里葉分析的點(diǎn)數(shù)提高頻譜分辨率，以小于脈沖寬度的采樣點(diǎn)作為滑動點(diǎn)數(shù)，提高距離分辨率；所述滑窗dft方法包括以下步驟：步驟一，由所需的頻率或速度分辨率得到dft所需點(diǎn)數(shù)w，將目標(biāo)單元采樣點(diǎn)數(shù)或脈沖寬度向兩端擴(kuò)展至長度為w；步驟二，由距離分辨率確定真實(shí)目標(biāo)單元采樣點(diǎn)數(shù)s，即滑動點(diǎn)數(shù)s；步驟三，以w為寬度，s為步長，對徑向數(shù)據(jù)劃分距離庫；步驟四，對每一個(gè)距離庫內(nèi)的采樣點(diǎn)，做dft分析。進(jìn)一步，所述滑窗dft方法根據(jù)離散傅里葉變換的公式，l點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)dft表示為：由式(1)導(dǎo)出單個(gè)徑向采樣數(shù)據(jù)的分段dft與滑窗dft公式；設(shè)激光雷達(dá)在某一徑向采樣n點(diǎn)數(shù)據(jù)：x(n),0≤n≤n-1；對x(n)按脈寬進(jìn)行分段dft，其結(jié)果為：其中l(wèi)為脈沖寬度時(shí)間τ對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)，n/l為距離庫個(gè)數(shù)，頻譜分辨率為2π/l。進(jìn)一步，所述滑窗dft方法對n點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行窗寬度為w、單次滑動s點(diǎn)的滑窗dft；對起始段前補(bǔ)零(w-s)/2點(diǎn)，結(jié)束段后補(bǔ)零(w-s)/2點(diǎn)，徑向分析點(diǎn)增加為n+w-s點(diǎn)；則滑窗dft可表達(dá)為下式：距離庫個(gè)數(shù)為n/s，頻譜分辨率為2π/w。本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用所述滑窗dft用于相干激光測風(fēng)雷達(dá)譜分析方法的相干激光測風(fēng)雷達(dá)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：基于大氣氣溶膠/空氣分子空間運(yùn)動的連續(xù)性，提出以前后擴(kuò)展距離庫的點(diǎn)數(shù)的時(shí)域滑窗式dft對徑向采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析。并仿真了傳統(tǒng)dft、滑窗dft、加窗滑窗dft的譜分析結(jié)果，最后對比了三者的測風(fēng)精度。結(jié)果表明，滑窗dft能有效提高頻譜分辨率與距離分辨率，通過加窗函數(shù)能約束譜峰展寬與多峰現(xiàn)象，有效控制測風(fēng)精度。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的滑窗dft用于相干激光測風(fēng)雷達(dá)譜分析方法流程圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的滑窗dft示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的同距離分辨率下的分段dft與滑窗dft譜峰形狀對比示意圖；圖中：(a)傳統(tǒng)dft譜峰較寬；(b)滑窗dft譜峰形狀改善效果隨風(fēng)切變程度變化；在風(fēng)切變不大的0-1000m內(nèi)，譜峰更為凸顯，但在1000m以上譜峰被展寬。圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的窗函數(shù)能量集中度示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的多參數(shù)滑窗dft對距離分辨率與頻譜分辨率改善示意圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的加窗對譜峰寬度約束示意圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的測風(fēng)結(jié)果誤差對比示意圖；圖中：(a)滑窗dft、加窗滑窗dft、分段dft結(jié)果對比，滑窗dft結(jié)果與設(shè)定風(fēng)速線更接近，效果優(yōu)于分段dft；(b)不同窗函數(shù)下的滑窗dft結(jié)果對比，加多種窗函數(shù)滑窗dft結(jié)果均能達(dá)到較好效果；(c)滑窗dft與加窗滑窗dft的誤差對比，加窗滑窗dft的誤差更??；(d)多種窗函數(shù)下的滑窗dft誤差對比，除kaiser窗在1000米以上誤差較大，其余窗函數(shù)的效果均較好。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的滑窗dft用于相干激光測風(fēng)雷達(dá)譜分析方法包括以下步驟：s101：由所需的頻率(速度)分辨率得到dft所需點(diǎn)數(shù)w，將目標(biāo)單元采樣點(diǎn)數(shù)(脈沖寬度)向兩端擴(kuò)展至長度為w；s102：由距離分辨率確定真實(shí)目標(biāo)單元采樣點(diǎn)數(shù)s，即滑動點(diǎn)數(shù)s；s103：以w為寬度，s為步長，對徑向數(shù)據(jù)劃分距離庫；s104：對每一個(gè)距離庫內(nèi)的采樣點(diǎn)，做dft分析。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。1、滑窗dft原理根據(jù)以上分析，本發(fā)明擬采用時(shí)域滑窗的形式對徑向數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析?；癲ft通過引入目標(biāo)單元鄰近采樣點(diǎn)，增加傅里葉分析點(diǎn)數(shù)，提高頻譜分辨率。再將目標(biāo)窗口以小于τ的采樣時(shí)長進(jìn)行滑動，逐段做傅里葉變換，以提高距離分辨率。例如將單目標(biāo)單元取樣時(shí)長前后擴(kuò)展至原時(shí)長的2倍，所得頻譜分辨率將提高1倍，將單次滑窗設(shè)置為τ/2，則距離分辨率提高1倍，如圖2所示。圖2滑窗dft示意圖在相干激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)(波長、脈沖寬度、信號采樣率)給定的情況下，滑窗dft步驟如下：1、由所需的頻率(速度)分辨率得到dft所需點(diǎn)數(shù)w，將目標(biāo)單元采樣點(diǎn)數(shù)(脈沖寬度)向兩端擴(kuò)展至長度為w；2、由距離分辨率確定真實(shí)目標(biāo)單元采樣點(diǎn)數(shù)s，即滑動點(diǎn)數(shù)s；3、以w為寬度，s為步長，對徑向數(shù)據(jù)劃分距離庫；4、對每一個(gè)距離庫內(nèi)的采樣點(diǎn)，做dft分析。根據(jù)離散傅里葉變換的公式，l點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)dft可表示為：由式(1)可導(dǎo)出單個(gè)徑向采樣數(shù)據(jù)的分段dft與滑窗dft公式。設(shè)激光雷達(dá)在某一徑向采樣n點(diǎn)數(shù)據(jù)：x(n),0≤n≤n-1；對x(n)按脈寬進(jìn)行分段dft，其結(jié)果為：其中l(wèi)為脈沖寬度時(shí)間τ對應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)，n/l為距離庫個(gè)數(shù)，頻譜分辨率為2π/l。由于滑窗的起始段前與結(jié)束段后沒有采樣數(shù)據(jù)可引入，對起始段前可采取補(bǔ)零措施，對結(jié)束段可采取補(bǔ)零也可采取繼續(xù)增加徑向采樣點(diǎn)數(shù)的措施，以確?；暗耐暾?。對n點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行窗寬度為w、單次滑動s點(diǎn)的滑窗dft。對起始段前補(bǔ)零(w-s)/2點(diǎn)，結(jié)束段后補(bǔ)零(w-s)/2點(diǎn)，徑向分析點(diǎn)增加為n+w-s點(diǎn)。則滑窗dft可表達(dá)為下式：距離庫個(gè)數(shù)為n/s，頻譜分辨率為2π/w。通過對滑窗原理分析可知，在徑向采樣數(shù)據(jù)段間相關(guān)性較大時(shí)，通過增大分析窗口可有效改善頻譜分辨率，如圖3中0-1000m距離所示。然而，當(dāng)相鄰徑向風(fēng)速有較大切變時(shí)，氣溶膠/空氣分子的空間運(yùn)動呈現(xiàn)復(fù)雜化，相鄰距離庫間的采樣數(shù)據(jù)相關(guān)性降低。由于分析窗增大將引入多個(gè)不同的多普勒運(yùn)動信息，目標(biāo)單元的頻譜圖將出現(xiàn)譜峰展寬現(xiàn)象。如圖3中1000-1500m距離段，分段dft譜峰分布較為均勻，滑窗dft在風(fēng)速切變較大的距離譜峰被展寬甚至出現(xiàn)多個(gè)譜峰，造成譜中心的判斷難度增大。造成圖3中譜峰展寬現(xiàn)象的原因在于目標(biāo)距離庫與所引入的前后距離庫的能量貢獻(xiàn)概率相同，窗口中的所有采樣點(diǎn)能量貢獻(xiàn)概率服從均勻分布，概率為：1/k(k為擴(kuò)展后的窗w內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù))。因此，為了突出滑窗中心的能量貢獻(xiàn)，削弱兩側(cè)引入采樣點(diǎn)的能量，可采用非矩形窗函數(shù)對窗內(nèi)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，以提高目標(biāo)庫譜中心被正確估計(jì)的概率，提高滑窗的抗混疊干擾。2、加窗滑窗dft其實(shí)現(xiàn)原理為對分析窗內(nèi)的k點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理后再進(jìn)行滑窗dft。定義能量集中率為距離庫m點(diǎn)能量與窗內(nèi)k點(diǎn)總能量之比，不同窗函數(shù)有著不同的能量集中率(陰影面積與信號總面積之比)。本發(fā)明選取了信號處理領(lǐng)域常用的多種典型窗進(jìn)行對比，以目標(biāo)采樣距離80點(diǎn)、窗寬度320點(diǎn)為例，能量集中度如圖4所示。通過圖4可知，同寬度窗能量集中率由高到低為：布萊克曼窗、汗寧窗、高斯窗、切比雪夫窗、海明窗、三角窗、凱澤窗、矩形窗。加窗能在徑向風(fēng)速切變較大時(shí)，產(chǎn)生更好的譜峰約束，然而不可避免的是，加窗會導(dǎo)致主瓣展寬。參考文獻(xiàn)中給出了多種窗函數(shù)的參數(shù)，結(jié)合圖4的能量集中率，如表1所示。表1以矩形窗為參照，hamming與chebwin的主瓣展寬較小，峰值旁瓣衰減大，能量集中率高。hamming與chebwin的綜合性能相對優(yōu)異。下面結(jié)合仿真驗(yàn)證對本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的為了驗(yàn)證滑窗dft對頻譜分辨率與距離分辨率的改善，模擬了1500米徑向距離風(fēng)速分布非均勻情況下的數(shù)據(jù)采樣情況，徑向距離500米內(nèi)風(fēng)速隨高度變化不明顯，500米至1000米由0到-8m/s變化，1000米至1500米由-8m/s到20m/s變化。用matlab生成非線性調(diào)頻信號，調(diào)頻中心為80mhz，對應(yīng)零速度線，疊加信噪比為0db的高斯噪聲。在脈寬200ns，波長1.55μm，采樣率400mhz的參數(shù)下，單個(gè)距離庫采樣80點(diǎn)，其理論距離分辨率為30m，頻譜分辨率為5mhz，速度分辨力為3.87m/s。定義sdft(w,s)表示窗寬w點(diǎn)，單次滑動s點(diǎn)的滑窗dft。設(shè)置sdft的窗寬w分別為：80點(diǎn)、160點(diǎn)、240點(diǎn)、320點(diǎn)(頻譜分辨率分別為：5mhz、2.5mhz、1.67mhz、1.25mhz)，設(shè)置單次滑動點(diǎn)數(shù)s分別為：80點(diǎn)、40點(diǎn)、10點(diǎn)(距離分辨力分別為：30m、15m、3.75m)，如表2所示，其中，sdft(80,80)正是分段dft方法。表2width80width160width240width320sliding80sdft(80,80)sdft(160,80)sdft(240,80)sdft(320,80)sliding40sdft(80,40)sdft(160,40)sdft(240,40)sdft(320,40)sliding10sdft(80,10)sdft(160,10)sdft(240,10)sdft(320,10)按表2所設(shè)參數(shù)做sdft，其頻譜瀑布圖如圖5所示。為了驗(yàn)證加窗對徑向速度切變較大時(shí)的譜峰約束作用，選擇圖5中速度線分散較為明顯的sdft(320,10)結(jié)果，用多種窗函數(shù)的sdft結(jié)果與其進(jìn)行比較，瀑布圖對比情況如圖6所示。為了檢驗(yàn)滑窗dft對測風(fēng)精度的改善，根據(jù)sdft(80,80)、sdft(320,40)、sdft(320,10)、hammingsdft(320,40)、hammingsdft(320,10)的結(jié)果，求出每一個(gè)距離庫的譜峰位置及其隨高度的分布情況(速度線)，并與預(yù)設(shè)徑向風(fēng)速做對比，如圖7所示。2、結(jié)果分析在圖5中，隨著窗寬度由80點(diǎn)增加至320點(diǎn)，其瀑布圖頻率維分辨率逐漸增高。在窗的寬度一定時(shí)，滑動點(diǎn)數(shù)由80點(diǎn)減少至10點(diǎn)，瀑布圖距離維分辨率有增高趨勢，但增高不明顯。在窗寬為240點(diǎn)的時(shí)候，在1000-1500m處出現(xiàn)了速度線模糊，窗寬320點(diǎn)的sdft速度線模糊嚴(yán)重。圖6為經(jīng)多種加窗處理后的sdft(320,10)效果。在0-500m段徑向風(fēng)速變化不大的情況下，加窗后對速度線有所展寬，且展寬程度與窗的主瓣特性較為一致。在500-1500m段徑向風(fēng)速變化較大時(shí)，矩形窗速度線展寬嚴(yán)重，出現(xiàn)譜峰展寬/多峰現(xiàn)象，加窗后的譜峰得到約束，速度線清晰。從譜峰約束效果來看，多種窗函數(shù)均能在一定程度上抑制速度線模糊。kaiser窗能量集中率最低，其速度線在風(fēng)速切變較大時(shí)模糊程度較大，但在速度切變較小時(shí)，其頻譜分辨率較接近矩形窗。圖7為多種方法測風(fēng)結(jié)果誤差對比。在0-1000m段，80點(diǎn)sdft速度誤差范圍較大，約為±2m/s，與理論分析3.87m/s的速度分辨力較為接近。在1000m內(nèi)切變較小，矩形滑窗結(jié)果與預(yù)設(shè)速度線基本一致，誤差范圍約±0.5m/s。在1000-1500m段切變較大，譜峰展寬時(shí)，速度誤差接近±2.3m/s，使用hamming窗，整個(gè)徑向的速度誤差被控制在±0.5m/s內(nèi)。多種窗函數(shù)均能將速度誤差控制在速度分辨率分辨率范圍內(nèi)，但在1000-1500m段使用kaiser窗，誤差較大，約為±1m/s。本發(fā)明基于脈沖體制相干激光測風(fēng)雷達(dá)的距離分辨率與頻率分辨率不可同時(shí)提高的矛盾，提出采用滑窗dft方法。與現(xiàn)有分段dft方法相比，通過引入前后距離庫的采樣數(shù)據(jù)以增加傅里葉分析的點(diǎn)數(shù)提高頻譜分辨率，以小于脈沖寬度的采樣點(diǎn)作為滑動點(diǎn)數(shù)，提高距離分辨率。其頻譜分辨率提高效果與引入前后的點(diǎn)數(shù)成正比，距離分辨率提高效果與單次sdft滑動點(diǎn)數(shù)成反比。在大氣風(fēng)場分布較為均勻一致的條件下，本發(fā)明能得到較為準(zhǔn)確的譜中心。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12