小型能見(jiàn)度激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和反演算法研究.pdf

1、能見(jiàn)度反映大氣的光學(xué)狀態(tài)并預(yù)示天氣變化，它不僅是氣象觀測(cè)的重要項(xiàng)目，在海陸空交通和軍事領(lǐng)域也都起重要作用。激光雷達(dá)因其波長(zhǎng)短、高時(shí)空分辨率和高探測(cè)靈敏度等優(yōu)勢(shì)，成為探測(cè)大氣能見(jiàn)度的新型工具。 本文旨在利用自行研制的小型激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)能見(jiàn)度的準(zhǔn)確探測(cè)。首先基于米散射原理對(duì)該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。詳細(xì)討論了重要器件的選擇和參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)裝校和接收信號(hào)的校準(zhǔn)過(guò)程，重點(diǎn)反演了本系統(tǒng)的重疊因子。然后詳細(xì)分析了激光束發(fā)散角和濾光片效率等關(guān)鍵參

2、數(shù)，及系統(tǒng)內(nèi)外部噪聲對(duì)回波信號(hào)的影響。 由于激光雷達(dá)測(cè)量能見(jiàn)度的關(guān)鍵是消光系數(shù)的準(zhǔn)確求解，所以本文主要對(duì)大氣消光系數(shù)的反演算法和精度的提高做了詳細(xì)的研究。為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確探測(cè)，基于Klett算法通過(guò)分析回波信號(hào)差分特征并結(jié)合信噪比，提出一種新的消光系數(shù)邊界值σ(rm)和全程水平消光系數(shù)的自動(dòng)求解算法，與傳統(tǒng)算法和迭代擴(kuò)展自動(dòng)算法的仿真結(jié)果比較中說(shuō)明此改進(jìn)算法具有較好的反演結(jié)果。對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域反演誤差較大的情況，通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)回波

3、信號(hào)進(jìn)行最小二乘擬合再反演的改進(jìn)方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲的有效抑制。針對(duì)大氣多次散射導(dǎo)致消光系數(shù)難以測(cè)準(zhǔn)的問(wèn)題，通過(guò)大氣建模，確定狀態(tài)向量、量測(cè)向量和相應(yīng)噪聲陣，將擴(kuò)展卡爾曼濾波應(yīng)用于消光系數(shù)反演中。通過(guò)與Klett算法的仿真結(jié)果對(duì)比，證明該方法能有效提高探測(cè)精度。對(duì)于斜程能見(jiàn)度的探測(cè)，采用Fernald方法進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。 最后，實(shí)現(xiàn)了部分改進(jìn)算法的軟件設(shè)計(jì)，并給出了本系統(tǒng)的水平和斜程能見(jiàn)度探測(cè)結(jié)果以及相應(yīng)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了本