相干激光测风雷达晴空湍流反演算法研究

论文摘要

晴空湍流对于高空巡航中的飞机,构成极大的危害,常被称为“隐形杀手”。因此,实时探测、识别、分类、告警晴空湍流成为了国际上研究的热点。尽管微波雷达已经比较成熟,但微波雷达波束宽、空间采样率低,对晴空湍流等中小尺度的恶劣天气现象无能为力。激光测风雷达与雷达相比,激光测风雷达空间分辨率极高,具有极强的“晴空湍流”探测能力。因而通过激光测风雷达探测“晴空湍流”是国际上研究的热点。相干激光测风雷达在与风场有关的远程探测方面的优点已经被大量的实事证明。本论文主要研究如何利用激光测风雷达大气风场数据快速精确识别和分类晴空湍流目标。改进了Frehlich算法,引进了经验模式分解法,并且针对激光测风雷达数据处理的特点,引进了混合编程的方法。首先,简要概述了相干激光测风雷达探测晴空湍流的基本原理。主要介绍了相干激光测风雷达的工作原理、风场数据风速VAD反演方法、激光测风雷达信号处理的关键技术、晴空湍流中风速的模拟方法以及识别湍流类型的基本原理。其次,分析了晴空湍流识别分类的算法。基于湍流速度的基本识别算法不能处理天气现象的尺度问题。引进了经验模式分解法,指出了将经验模式分解法用于数据处理时带来的问题以及解决办法,给出了实现方法,并且就经验模式分解法开发了Matlab界面。分析讨论了Frehlich提出的算法,其基本机理是通过最佳匹配法求湍流参数,最后根据得到的湍流参数进行湍流识别,其缺点是运算量大且不易实现,本论文通过最小二乘法来实现匹配,减小了运算量。最后,鉴于激光测风雷达数据处理时运算量大以及需要调用大量的科学计算函数,本论文建议使用Matlab和VC混合编程的方法。建议利用VC开发软件的前端,以提高运算速度,后端图形显示则用Matlab软件开发。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 晴空湍流探测的主要方法
• 1.3 相干激光雷达的发展状况
• 1.4 激光雷达探测晴空湍流技术发展
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 激光测风雷达晴空湍流探测的理论基础
• 2.1 相干激光测风雷达工作原理
• 2.1.1 相干激光测风雷达的基本原理
• 2.1.2 相干激光测风雷达信噪比方程
• 2.1.3 相干激光测风雷达回波特性
• 2.1.4 信号处理关键技术
• 2.2 风场数据的VAD反演方法
• 2.3 湍流中风速的模拟
• 2.4 湍流中风速的模拟
• 2.5 湍流类型
• 2.5.1 湍流速度
• 2.5.2 湍流能量耗散率
• 2.6 湍流类型识别算法基本原理
• 2.6.1 基于湍流速度的识别算法
• 2.6.2 基于湍流能量耗散率的识别算法
• 2.6.3 基于功率谱宽度的识别算法
• 2.7 经验模式分解的基本理论
• 2.7.1 基本概念
• 2.8 本章小结
• 第3章 晴空湍流识别算法
• 3.1 基于湍流速度的识别算法
• 3.1.1 相对速度偏差
• 3.1.2 标准偏差
• 3.2 基于结构函数的识别算法
• 3.2.1 Frehlich湍流参数估计法
• 3.2.2 Frehlich方法的改进
• 3.2.3 改进后算法的数值仿真
• 3.3 经验模式分解法的验证
• 3.3.1 经验模式分解的关键问题
• 3.3.2 端点发散的解决措施
• 3.3.3 经验模式分解的初步验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 晴空湍流识别算法软件的初步设计
• 4.1 经验模式分解的实现
• 4.2 真实风场的经验模式分解
• 4.3 经验模式分解界面的初步设计
• 4.4 基于混合编程的软件初步设计
• 4.4.1 Matlab引擎简介
• 4.4.2 Matlab引擎的基本函数
• 4.4.3 mxArray数据类型
• 4.4.4 接口库的生成
• 4.4.5 编译器配置
• 4.4.6 界面简介
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢