基于非多普勒激光雷达的测风系统研究

作     者：张平慧 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡淼;刘崇

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070601[理学-气象学] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0706[理学-大气科学] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：非多普勒激光雷达 大气光学 大气气溶胶 Mie散射 

摘      要：在大气观测中,地面风速及其方向是所需要重点关注的。针对目前市面上的测风装置所存在的问题——传统机械式测风装置由于长期暴露在户外环境装置部件容易损坏、多普勒激光雷达测风装置成果过高无法大规模推广使用,提出了两种基于非多普勒激光雷达的测风系统并用于风速测量的研究。从实验结果中可知提出的测风系统具有一定程度的可靠性,但仍然存在不少可以改进的地方。具体研究如下:(1)介绍了选择的题目的背景,介绍了常见的几种测量风速的方法及其原理,并对他们的优缺点进行了分析;随后对多普勒激光雷达和非多普勒测风激光雷达这两方面的国内外研究进展进行阐述。(2)主要介绍了基于非多普勒激光雷达测风系统的实验研究的相关理论基础。首先简要的对大气气溶胶的组成进行叙述,接着介绍了利用非多普勒激光雷达测风系统进行大气测量的几种重要的特性。结合本文所需要研究的内容,通过Mie散射特性以及提出的两种非多普勒测风方法的基本原理,阐述了利用非多普勒激光雷达来进行测风的理论依据。(3)提出了一种基于卷积神经网络的非多普勒激光雷达测风系统,用于低速风场的测量。该系统利用CCD拍摄气溶胶颗粒物的激光雷达侧向散射图,针对不同风速气溶胶颗粒物的运动轨迹特征,实现定量的风速测量。实验中分为三档风速,分别为0m/s,1m/s,3m/s,每档风速下各拍摄300张图片。卷积神经网络对经过图像预处理的气溶胶颗粒物运动轨迹图,进行特征提取并生成风速测量模型,第100次训练样本和验证样本的准确率分别为0.92和0.93。利用生成的风速测量模型对测试样本进行实验,准确率达到0.84。(4)提出了一种基于双激光束的非多普勒激光雷达测风系统。该系统利用工业相机拍摄前向散射回波信号光强图,进行图像处理后得到两束激光的回波信号变化图。针对两幅图之间相似性关系,实现定量的风速测量。实验中控制风速在3m/s,利用工业相机采集1000张前向散射回波信号图片,进行一系列处理后得到SSIM变化图与差异图。从SSIM变化图与差异图中可看出当移动帧数为4时,两束激光的回波信号变化图相似度最高。也就是说风从左侧激光运动到右侧激光所花费的时间为0.04s。两束激光之间距离为12cm,故可得到经该测风系统测得的风速为3m/s,与实验设置的风速一致。说明该测风系统具有一定程度的准确性。