一種滑窗DFT用於相干雷射測風雷達譜分析方法與流程

2023-10-22 20:19:18 2

本發明屬於相干雷射測風雷達
技術領域：
，尤其涉及一種滑窗dft用於相干雷射測風雷達譜分析方法。
背景技術：
：相干雷射測風雷達以氣溶膠和空氣分子為目標，探測其後向散射信息，是能真實有效地反演大氣三維風場的探測設備，在氣象監測、能源開發、航空保障等領域有著廣泛的應用前景。尤其對於航空保障，風速的精確觀測對風切變的識別十分重要。與常規電磁波段天氣雷達相比，雷射雷達工作波長短，單位徑向都卜勒速度產生的頻移較大，其頻譜分析通常在距離維完成，即對徑向採樣數據進行相干積累後按距離解析度劃分成若干採樣段，再逐段進行dft(discretefouriertransform離散傅立葉變換)。脈衝體制相干測風雷射雷達的距離解析度與頻譜解析度相互約束，且受發射脈衝寬度限制。長脈寬體現較高的頻譜解析度，窄採樣脈寬體現較高的距離解析度。在經典譜估計中，頻譜解析度越高，譜峰位置越接近真實值，徑向速度測量越精確，但高頻譜解析度往往伴隨著低距離解析度。相干雷射測風雷達的雷射發射器發射一個寬度為τ的脈衝，大氣分子的後向散射信號經光學系統相干檢波後由光電探測器輸出，信號處理器對回波信號進行ad採樣、距離庫劃分、dft。對於有限長序列，頻譜解析度為：1/τ，其中τ為採樣時長(脈衝體制雷達通常定義為脈寬)。此技術得到的距離解析度為：cτ/2(c為光速)，頻譜解析度為1/τ，二者互為倒數關係，這也是二者不能同時得到改善的原因所在。以工作在波長λ＝1.55μm，脈衝寬度為τ＝200ns，採樣率fs＝400mhz的雷射雷達為例，其距離解析度為：cτ/2＝30m，每個距離庫的採樣點數為：n＝80，其頻譜解析度為：fs/n＝5mhz。1m/s的都卜勒速度產生的單位頻移為：2v/λ≈1.29mhz，由頻譜解析度可得速度解析度為：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，採用信號補零的方式提高有限長序列的頻譜解析度，但補零後生成的譜為偽譜，且將產生較大副瓣，降低信噪比，影響雷達回波譜寬數據的準確測量。對頻譜數據進行樣條函數插值，該方法能有效改善譜中心的估計精度。但考慮到相干雷射測風雷達回波信號為窄帶信號，譜峰附近可用於插值計算的樣點個數有限，並且插值結果的好壞受信噪比的影響較大，樣條函數插值會帶來大量運算，降低信號處理的實時性。因此，將插值方法用於雷射雷達譜分析有一定局限性。脈衝壓縮技術，可極大改善脈衝體制雷達的距離解析度。但相干雷射測風雷達工作波長極短，其單位都卜勒頻移遠大於脈衝重複頻率prf。另一方面，對雷射的調製與解調的不易實現。從而限制了脈衝壓縮技術在相干雷射雷達的應用。在常規譜分析技術下，脈衝體制相干雷射測風雷達仍然面臨著頻譜解析度與距離解析度不能同時提高的矛盾。大氣作為流體，它的運動規律遵循流體力學的基本定律。大氣運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，通常比雷射雷達脈寬τ所決定的距離解析度大很多。根據大氣中氣溶膠/空氣分子空間運動的連續性，在一定的探測範圍內，所測得的徑向數據中相鄰距離庫採樣數據會有較大相關性，且相位連續，這為本方案增加dft分析點數帶來了可行性。綜上所述，現有技術存在的問題是：信號補零方法，產生較大副瓣，改變了雷達信號的譜寬值；樣條函數插值技術，插值樣本過少，實時性差，精度受信噪比影響較大；現有脈衝壓縮技術不能應用於相干雷射雷達。技術實現要素：針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種滑窗dft用於相干雷射測風雷達譜分析方法。本發明是這樣實現的，一種滑窗dft用於相干雷射測風雷達譜分析方法，所述滑窗dft用於相干雷射測風雷達譜分析方法基於脈衝體制相干雷射測風雷達的距離解析度與頻率解析度不可同時提高的矛盾，採用滑窗dft方法；通過引入前後距離庫的採樣數據以增加傅立葉分析的點數提高頻譜解析度，以小於脈衝寬度的採樣點作為滑動點數，提高距離解析度；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解析度得到dft所需點數w，將目標單元採樣點數或脈衝寬度向兩端擴展至長度為w；步驟二，由距離解析度確定真實目標單元採樣點數s，即滑動點數s；步驟三，以w為寬度，s為步長，對徑向數據劃分距離庫；步驟四，對每一個距離庫內的採樣點，做dft分析。進一步，所述滑窗dft方法根據離散傅立葉變換的公式，l點採樣數據dft表示為：由式(1)導出單個徑向採樣數據的分段dft與滑窗dft公式；設雷射雷達在某一徑向採樣n點數據：x(n),0≤n≤n-1；對x(n)按脈寬進行分段dft，其結果為：其中l為脈衝寬度時間τ對應的採樣點數，n/l為距離庫個數，頻譜解析度為2π/l。進一步，所述滑窗dft方法對n點數據進行窗寬度為w、單次滑動s點的滑窗dft；對起始段前補零(w-s)/2點，結束段後補零(w-s)/2點，徑向分析點增加為n+w-s點；則滑窗dft可表達為下式：距離庫個數為n/s，頻譜解析度為2π/w。本發明的另一目的在於提供一種應用所述滑窗dft用於相干雷射測風雷達譜分析方法的相干雷射測風雷達。本發明的優點及積極效果為：基於大氣氣溶膠/空氣分子空間運動的連續性，提出以前後擴展距離庫的點數的時域滑窗式dft對徑向採樣數據進行譜分析。並仿真了傳統dft、滑窗dft、加窗滑窗dft的譜分析結果，最後對比了三者的測風精度。結果表明，滑窗dft能有效提高頻譜解析度與距離解析度，通過加窗函數能約束譜峰展寬與多峰現象，有效控制測風精度。附圖說明圖1是本發明實施例提供的滑窗dft用於相干雷射測風雷達譜分析方法流程圖。圖2是本發明實施例提供的滑窗dft示意圖。圖3是本發明實施例提供的同距離解析度下的分段dft與滑窗dft譜峰形狀對比示意圖；圖中：(a)傳統dft譜峰較寬；(b)滑窗dft譜峰形狀改善效果隨風切變程度變化；在風切變不大的0-1000m內，譜峰更為凸顯，但在1000m以上譜峰被展寬。圖4是本發明實施例提供的窗函數能量集中度示意圖。圖5是本發明實施例提供的多參數滑窗dft對距離解析度與頻譜解析度改善示意圖。圖6是本發明實施例提供的加窗對譜峰寬度約束示意圖。圖7是本發明實施例提供的測風結果誤差對比示意圖；圖中：(a)滑窗dft、加窗滑窗dft、分段dft結果對比，滑窗dft結果與設定風速線更接近，效果優於分段dft；(b)不同窗函數下的滑窗dft結果對比，加多種窗函數滑窗dft結果均能達到較好效果；(c)滑窗dft與加窗滑窗dft的誤差對比，加窗滑窗dft的誤差更小；(d)多種窗函數下的滑窗dft誤差對比，除kaiser窗在1000米以上誤差較大，其餘窗函數的效果均較好。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。如圖1所示，本發明實施例提供的滑窗dft用於相干雷射測風雷達譜分析方法包括以下步驟：s101：由所需的頻率(速度)解析度得到dft所需點數w，將目標單元採樣點數(脈衝寬度)向兩端擴展至長度為w；s102：由距離解析度確定真實目標單元採樣點數s，即滑動點數s；s103：以w為寬度，s為步長，對徑向數據劃分距離庫；s104：對每一個距離庫內的採樣點，做dft分析。下面結合附圖對本發明的應用原理作進一步的描述。1、滑窗dft原理根據以上分析，本發明擬採用時域滑窗的形式對徑向數據進行頻譜分析。滑窗dft通過引入目標單元鄰近採樣點，增加傅立葉分析點數，提高頻譜解析度。再將目標窗口以小於τ的採樣時長進行滑動，逐段做傅立葉變換，以提高距離解析度。例如將單目標單元取樣時長前後擴展至原時長的2倍，所得頻譜解析度將提高1倍，將單次滑窗設置為τ/2，則距離解析度提高1倍，如圖2所示。圖2滑窗dft示意圖在相干雷射測風雷達系統參數(波長、脈衝寬度、信號採樣率)給定的情況下，滑窗dft步驟如下：1、由所需的頻率(速度)解析度得到dft所需點數w，將目標單元採樣點數(脈衝寬度)向兩端擴展至長度為w；2、由距離解析度確定真實目標單元採樣點數s，即滑動點數s；3、以w為寬度，s為步長，對徑向數據劃分距離庫；4、對每一個距離庫內的採樣點，做dft分析。根據離散傅立葉變換的公式，l點採樣數據dft可表示為：由式(1)可導出單個徑向採樣數據的分段dft與滑窗dft公式。設雷射雷達在某一徑向採樣n點數據：x(n),0≤n≤n-1；對x(n)按脈寬進行分段dft，其結果為：其中l為脈衝寬度時間τ對應的採樣點數，n/l為距離庫個數，頻譜解析度為2π/l。由於滑窗的起始段前與結束段後沒有採樣數據可引入，對起始段前可採取補零措施，對結束段可採取補零也可採取繼續增加徑向採樣點數的措施，以確保滑窗的完整性。對n點數據進行窗寬度為w、單次滑動s點的滑窗dft。對起始段前補零(w-s)/2點，結束段後補零(w-s)/2點，徑向分析點增加為n+w-s點。則滑窗dft可表達為下式：距離庫個數為n/s，頻譜解析度為2π/w。通過對滑窗原理分析可知，在徑向採樣數據段間相關性較大時，通過增大分析窗口可有效改善頻譜解析度，如圖3中0-1000m距離所示。然而，當相鄰徑向風速有較大切變時，氣溶膠/空氣分子的空間運動呈現複雜化，相鄰距離庫間的採樣數據相關性降低。由於分析窗增大將引入多個不同的都卜勒運動信息，目標單元的頻譜圖將出現譜峰展寬現象。如圖3中1000-1500m距離段，分段dft譜峰分布較為均勻，滑窗dft在風速切變較大的距離譜峰被展寬甚至出現多個譜峰，造成譜中心的判斷難度增大。造成圖3中譜峰展寬現象的原因在於目標距離庫與所引入的前後距離庫的能量貢獻概率相同，窗口中的所有採樣點能量貢獻概率服從均勻分布，概率為：1/k(k為擴展後的窗w內的採樣點數)。因此，為了突出滑窗中心的能量貢獻，削弱兩側引入採樣點的能量，可採用非矩形窗函數對窗內採樣數據進行加權，以提高目標庫譜中心被正確估計的概率，提高滑窗的抗混疊幹擾。2、加窗滑窗dft其實現原理為對分析窗內的k點數據進行加窗處理後再進行滑窗dft。定義能量集中率為距離庫m點能量與窗內k點總能量之比，不同窗函數有著不同的能量集中率(陰影面積與信號總面積之比)。本發明選取了信號處理領域常用的多種典型窗進行對比，以目標採樣距離80點、窗寬度320點為例，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。加窗能在徑向風速切變較大時，產生更好的譜峰約束，然而不可避免的是，加窗會導致主瓣展寬。參考文獻中給出了多種窗函數的參數，結合圖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的綜合性能相對優異。下面結合仿真驗證對本發明的應用效果作詳細的為了驗證滑窗dft對頻譜解析度與距離解析度的改善，模擬了1500米徑向距離風速分布非均勻情況下的數據採樣情況，徑向距離500米內風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生成非線性調頻信號，調頻中心為80mhz，對應零速度線，疊加信噪比為0db的高斯噪聲。在脈寬200ns，波長1.55μm，採樣率400mhz的參數下，單個距離庫採樣80點，其理論距離解析度為30m，頻譜解析度為5mhz，速度分辨力為3.87m/s。定義sdft(w,s)表示窗寬w點，單次滑動s點的滑窗dft。設置sdft的窗寬w分別為：80點、160點、240點、320點(頻譜解析度分別為：5mhz、2.5mhz、1.67mhz、1.25mhz)，設置單次滑動點數s分別為：80點、40點、10點(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所設參數做sdft，其頻譜瀑布圖如圖5所示。為了驗證加窗對徑向速度切變較大時的譜峰約束作用，選擇圖5中速度線分散較為明顯的sdft(320,10)結果，用多種窗函數的sdft結果與其進行比較，瀑布圖對比情況如圖6所示。為了檢驗滑窗dft對測風精度的改善，根據sdft(80,80)、sdft(320,40)、sdft(320,10)、hammingsdft(320,40)、hammingsdft(320,10)的結果，求出每一個距離庫的譜峰位置及其隨高度的分布情況(速度線)，並與預設徑向風速做對比，如圖7所示。2、結果分析在圖5中，隨著窗寬度由80點增加至320點，其瀑布圖頻率維解析度逐漸增高。在窗的寬度一定時，滑動點數由80點減少至10點，瀑布圖距離維解析度有增高趨勢，但增高不明顯。在窗寬為240點的時候，在1000-1500m處出現了速度線模糊，窗寬320點的sdft速度線模糊嚴重。圖6為經多種加窗處理後的sdft(320,10)效果。在0-500m段徑向風速變化不大的情況下，加窗後對速度線有所展寬，且展寬程度與窗的主瓣特性較為一致。在500-1500m段徑向風速變化較大時，矩形窗速度線展寬嚴重，出現譜峰展寬/多峰現象，加窗後的譜峰得到約束，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，其速度線在風速切變較大時模糊程度較大，但在速度切變較小時，其頻譜解析度較接近矩形窗。圖7為多種方法測風結果誤差對比。在0-1000m段，80點sdft速度誤差範圍較大，約為±2m/s，與理論分析3.87m/s的速度分辨力較為接近。在1000m內切變較小，矩形滑窗結果與預設速度線基本一致，誤差範圍約±0.5m/s。在1000-1500m段切變較大，譜峰展寬時，速度誤差接近±2.3m/s，使用hamming窗，整個徑向的速度誤差被控制在±0.5m/s內。多種窗函數均能將速度誤差控制在速度解析度解析度範圍內，但在1000-1500m段使用kaiser窗，誤差較大，約為±1m/s。本發明基於脈衝體制相干雷射測風雷達的距離解析度與頻率解析度不可同時提高的矛盾，提出採用滑窗dft方法。與現有分段dft方法相比，通過引入前後距離庫的採樣數據以增加傅立葉分析的點數提高頻譜解析度，以小於脈衝寬度的採樣點作為滑動點數，提高距離解析度。其頻譜解析度提高效果與引入前後的點數成正比，距離解析度提高效果與單次sdft滑動點數成反比。在大氣風場分布較為均勻一致的條件下，本發明能得到較為準確的譜中心。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁12