測風(fēng)激光雷達(dá)信號載噪比和有效性算法研究

羅 甜，胡芳仁，朱海龍

(1.南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046;2.南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院先進(jìn)全固態(tài)激光技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 南京 210038)

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測風(fēng)激光雷達(dá)信號載噪比和有效性算法研究

羅 甜1，胡芳仁1，朱海龍2

(1.南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046;2.南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院先進(jìn)全固態(tài)激光技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 南京 210038)

信號的載噪比和有效性是衡量測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在不同的去噪方法基礎(chǔ)上提出了信號載噪比的新算法，并通過與國外測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行外場對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該載噪比算法的正確性以及該算法對不同去噪方法的適用性。同時,提出了判別信號有效性的新算法，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析得出，載噪比和有效性新算法在判別信號有效性上具有很高的一致性，從而證明了該有效性算法的正確性。此外，與載噪比相比，有效性算法能進(jìn)一步縮小信號的有效范圍，提高有效精度，從而能大大提高反演出的風(fēng)場信息的準(zhǔn)確性。

測風(fēng)激光雷達(dá)；載噪比；有效性；信號分析

0 引言

多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)具有測量精度高、時空分辨率高及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[1],廣泛應(yīng)用于大氣湍流探測、風(fēng)切變測量[2]、大氣風(fēng)廓線測量[3]和機(jī)場測風(fēng)等，其在航空航天和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域都有著十分重要的作用。發(fā)展相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行風(fēng)場探測已成為國內(nèi)外激光雷達(dá)的一個重要發(fā)展方向。近年來，隨著測風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善[4-5]，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種類型的測風(fēng)激光雷達(dá)，這些新型的測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)都是針對硬件進(jìn)行優(yōu)化或?qū)μ綔y技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)[6-8]等，少有針對雷達(dá)系統(tǒng)回波信號的載噪比算法進(jìn)行簡化和信號有效性進(jìn)行精確判別的研究?？v觀國內(nèi)外，空難事故頻繁發(fā)生，其中很大一部分原因是測風(fēng)激光雷達(dá)回波信號反演出的風(fēng)場信息可靠性差。如何利用新的科學(xué)手段及時判別風(fēng)場信息的可靠性，將是我們能及時做出相應(yīng)應(yīng)急措施，從而有效地降低空難事故發(fā)生概率的關(guān)鍵。

本文針對如何判別測風(fēng)激光雷達(dá)回波信號的可靠性,提出了判別測風(fēng)激光雷達(dá)回波信號有效性的新算法。由于回波信號載噪比也能在一定程度上判別回波信號的有效性，同時它也是衡量測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，因此本文還提出了回波信號載噪比的新算法。

文中所用數(shù)據(jù)是由南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院所研制的相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)于2015年5月13日在青島即墨所測得的。該測風(fēng)激光雷達(dá)發(fā)射信號脈寬為180 ns,重頻為10 kHz，中頻為120 MHz。

1 回波信號去噪分析

由于測風(fēng)激光雷達(dá)回波信號包含大量的噪聲，因此在進(jìn)行載噪比計(jì)算和有效性判別之前需要對測風(fēng)激光雷達(dá)回波信號進(jìn)行去噪。目前常用的去噪方法有：減最后距離門回波信號去噪法[9]和減當(dāng)前距離門擬合基底噪聲去噪法[10]。減最后距離門回波信號去噪法認(rèn)為相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)最后一個距離門即激光雷達(dá)最高探測距離內(nèi)的回波信號中沒有氣象信號，全部是噪聲，所以可以將最后一個距離門的回波信號作為基底噪聲進(jìn)行去噪。晴空時，認(rèn)為測風(fēng)激光雷達(dá)最后距離門內(nèi)的回波信號全是噪聲信號是基本合理的，但在其他天氣(如降水天氣)時，最后距離門的回波信號包含有不可忽略的氣象信息。這時若還以最后距離門回波信號作為噪聲功率標(biāo)準(zhǔn)，就會給譜參數(shù)估計(jì)帶來較大的誤差。減當(dāng)前距離門擬合基底噪聲去噪法是通過多項(xiàng)式最小二乘法對每個距離門內(nèi)的功率譜基線進(jìn)行擬合，最后將擬合出來的曲線作為當(dāng)前距離門的噪聲進(jìn)行去噪。該算法的優(yōu)勢是其噪聲功率譜是針對每個距離門單獨(dú)計(jì)算得到的，可以在一定程度上減少由于基底噪聲自身的變化抖動帶來的不利影響。

圖1為640 m和1 540 m高空處，沒有經(jīng)過任何去噪處理的回波信號與分別經(jīng)過上述兩種不同的去噪方法后所得的回波信號的功率譜對比圖。

圖1 640 m和1 540 m處不去噪和兩種不同方法去噪后的的回波信號功率譜對比圖

圖中實(shí)線為未經(jīng)去噪處理的回波信號的功率譜線，虛線為減去最后距離門去噪的回波信號的功率譜線，點(diǎn)線為減基底擬合噪聲后的功率譜線。同時,線上的圓點(diǎn)分別表示在指定的頻率區(qū)間內(nèi)功率譜峰值點(diǎn)。由圖1(a)和圖1(b)可以明顯看出，未經(jīng)去噪處理的回波信號功率譜在160 MHz之后開始出現(xiàn)大幅上升趨勢。這種上升趨勢是由測風(fēng)激光雷達(dá)探測器自身噪聲所引起的。經(jīng)去噪后的頻譜線與未去噪處理的頻譜線相比更為平滑，且在160 MHz之后沒有出現(xiàn)幅值大幅上升的現(xiàn)象，這就說明上述兩種去噪方法都能在一定程度上抑制激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測器所帶來的不利影響。同時，從圖1(b)可以看出，高空探測時，去噪和不去噪的回波信號功率譜峰值并不在同一頻率點(diǎn)。經(jīng)去噪后的信號功率峰值頻率更接近中頻120 MHz,說明去噪后所得到的峰值頻率更接近真實(shí)的峰值頻率。所以在反演風(fēng)場信息之前應(yīng)先對回波信號進(jìn)行去噪處理。

圖2為上述兩種不同去噪方法對同一回波信號處理后的功率譜對比圖。

圖2 640 m和1 540 m處減最后距離門去噪和減當(dāng)前距離門擬合噪聲去噪的功率譜對比圖

圖2中實(shí)線為減最后距離門去噪的功率譜線，虛線為減當(dāng)前距離門擬合基底噪聲去噪的功率譜線。從圖2(a)可以看出，在低空探測時，這兩種去噪方法具有很好的一致性，即功率譜峰值點(diǎn)相同。但圖2(b)顯示出高空探測時，不同的去噪處理所得到的功率譜的峰值點(diǎn)不在同一點(diǎn)，即得到的多普勒頻移量不同，最終會導(dǎo)致反演出的風(fēng)場信息不同。

圖3是最后距離門噪聲和640 m當(dāng)前距離門擬合基底噪聲的噪聲對比圖。

圖3 最后距離門噪聲和640 m當(dāng)前距離門擬合噪聲對比圖

從圖3中可以看出最后距離門噪聲和640 m當(dāng)前距離門擬合基底噪聲并不完全相同，640 m當(dāng)前距離門的擬合基底噪聲與最后距離門噪聲相比更為平滑，這有利于將氣象信號的功率譜峰值從噪聲中區(qū)分出來。

綜上所述，兩種不同的去噪方法在低空探測時具有相同的去噪效果，但在高空探測時存在一定的差異，即會得到不同的風(fēng)場信息。而通過上述理論分析可知減當(dāng)前距離門擬合基底去噪更為合理和精確，但該去噪方法計(jì)算復(fù)雜，需要對每一個距離門進(jìn)行基底擬合，運(yùn)算時間長，而減最后距離門去噪不需要這個過程，這將大大提高運(yùn)算速度，節(jié)省時間。因此可以根據(jù)測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的不同探測距離和運(yùn)算時間來合理選擇不同的去噪方法。

2 載噪比的算法設(shè)計(jì)及其驗(yàn)證

激光雷達(dá)回波信號和噪聲之間的比值與激光雷達(dá)的探測范圍和精度密切相關(guān)，是評估激光雷達(dá)系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。載噪比[8,10-11]的理論公式為：

(1)

式中，η為系統(tǒng)效率，Ex為激光器發(fā)射能量，β為氣溶膠后向散射系數(shù)，λ為波長，T為傳輸R處的大氣透射率，D為望遠(yuǎn)鏡孔徑，h為普朗克常量，B為探測電路帶寬，R為探測距離?？梢钥闯錾鲜鲚d噪比理論公式包含很多的參量。

本文提出的載噪比算法不需要上述載噪比理論公式中的眾多參量，其基本思路是在經(jīng)去噪后的回波信號功率譜的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號的脈寬T，取以峰值頻率為中心的一段連續(xù)的2/T區(qū)間，認(rèn)為該2/T區(qū)間內(nèi)功率譜曲線的面積為氣象信號的面積S1，剩下的面積為噪聲的面積S2，由此得出初步去噪后的信號載噪比CNR=S1/S2。

如圖4所示，經(jīng)過去噪后的回波信號功率譜圖中，兩條虛線是根據(jù)峰值頻率(圓點(diǎn)所在頻率)左右各頻移1/T=5.5 MHz對應(yīng)的頻率。依據(jù)上述載噪比的計(jì)算思路可認(rèn)為兩條虛線之間的面積是氣象信號的面積，而剩余部分為噪聲的面積，由此可計(jì)算出載噪比。

圖4 氣象信號面積示意圖

為了驗(yàn)證該算法的正確性，通過與國外測風(fēng)激光雷達(dá)做對比實(shí)驗(yàn)的方法來進(jìn)行驗(yàn)證分析。將兩臺測風(fēng)激光雷達(dá)放置于同一場地，統(tǒng)一指向，使其外界條件達(dá)到一致，同時測量大氣風(fēng)場信息，最后將本文提出的新算法算得的載噪比與國外測風(fēng)激光雷達(dá)自身處理得到的載噪比作對比分析來驗(yàn)證該算法是否正確。

圖5為兩臺測風(fēng)激光雷達(dá)于2015年5月13日在即墨所測的在40 m處連續(xù)17個小時(1 020分鐘)的數(shù)據(jù)對比圖。雷達(dá)1為南京先進(jìn)激光技術(shù)研究院所研制的測風(fēng)激光雷達(dá)，雷達(dá)2為國外測風(fēng)激光雷達(dá)。由于兩個激光雷達(dá)系統(tǒng)的載噪比算法不同，因此在分析載噪比對比圖時，只需看兩者的變化趨勢是否一致，即對比是否是在同一點(diǎn)上升、下降即可。因?yàn)樵谙嗤臅r刻出現(xiàn)相同的變化趨勢就說明這兩臺測風(fēng)激光雷達(dá)對變化的風(fēng)場探測到了相同的結(jié)果。

圖5 載噪比對比圖

如圖5所示，兩條曲線的變化趨勢是一致的，在相同的時刻出現(xiàn)拐點(diǎn)，即說明兩臺測風(fēng)激光雷達(dá)對變化的風(fēng)場探測到的結(jié)果相同，這也就驗(yàn)證了本文提出的載噪比算法的正確性。

由于該載噪比算法是在回波信號經(jīng)過一定的去噪處理基礎(chǔ)上算得的，因此，在驗(yàn)證了本文提出的載噪比算法的正確性的基礎(chǔ)上，還需驗(yàn)證該載噪比算法對上述兩種不同的去噪方法是否均適用。

圖6是在上述兩種不同的去噪方法基礎(chǔ)上所得到的載噪比對比圖，如圖所示，測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)有200個距離門，每個距離門為30 m。圖中兩條曲線的變化趨勢基本一致，即說明該載噪比的算法對上述兩種去噪方法均適用。同時，從圖中可以看出，從第14距離門到第50距離門左右，其載噪比呈明顯的下降趨勢，這符合式(1)中載噪比與探測距離成反比的趨勢。而第50距離門之后的載噪比在總體趨勢上是相對平穩(wěn)的，這與式(1)是矛盾的，即說明該回波信號是不可靠的，超出了測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測范圍。因此，可利用載噪比的這種變化趨勢來初步判別信號的有效性。

圖6 載噪比隨探測距離變化的對比圖

3 信號的有效性判別

本文除了用上述載噪比的變化趨勢來判別信號的有效性外，還提出了另一種方法來判別信號的有效性，即：通過最大概似法對其去噪后的功率譜幅值進(jìn)行均值估計(jì)，然后將該功率譜的峰值m與最大概似法估得的均值n作比值c=m/n，根據(jù)比值c的變化趨勢來判斷信號的有效性。

圖7為減最后距離門去噪時c的變化趨勢,從圖中可以看出c在第10到40距離門范圍內(nèi)基本穩(wěn)定，當(dāng)探測距離超過第40距離門之后,c值有較大的波動。分析其原因在于第10距離門之前和第40距離門之后，通過最大概似法估算出的均值n為負(fù)值，而若此時的回波信號是有效信號，則它的功率譜幅值必定都大于零，因?yàn)橹挥挟?dāng)噪聲將氣象信號完全淹沒時才會出現(xiàn)均值n小于零的情況，而此時的信號是不可靠的，即無效的。由此可根據(jù)比值c的這種變化趨勢來判斷信號的有效性。

圖7 減最后距離門去噪時,比值c隨距離門的變化趨勢圖

與上文中直接用載噪比來判別信號的有效性相比，用峰值與均值的比值來判別信號的有效性能縮小有效探測距離的范圍，這有利于進(jìn)一步提高最后反演得到的風(fēng)速信息的可靠性。

圖8為減當(dāng)前距離門擬合基底噪聲去噪時, 其功率譜最大值m與最大概似法估得的均值n的比值c的變化趨勢圖。

圖8 減擬合基底噪聲去噪時,比值c隨距離門的變化趨勢圖

由圖8可以看出，從第11距離門到第40距離門，其比值c一直是緩慢增加的，40距離門之后基本趨于平穩(wěn)，若將c緩慢增加的區(qū)間看作是信號有效區(qū)間，則其有效區(qū)間與圖8中的有效區(qū)間是完全一致的，由此可見減擬合基底噪聲去噪時也可根據(jù)c的變化趨勢來判別信號的有效性。

綜上所述，減最后距離門去噪時，比值c為正且趨于平穩(wěn)的連續(xù)區(qū)間為信號的有效區(qū)間；減擬合基底去噪時，比值c呈上升的連續(xù)區(qū)間為信號的有效區(qū)間。

4 結(jié)論

本文對于目前存在的兩種去噪方法進(jìn)行了對比分析，結(jié)果顯示在低空探測時，這兩種去噪方法在多普勒頻移量上具有很好的一致性，但在高空探測時存在一定的差異。經(jīng)理論分析得出，減當(dāng)前距離門擬合基底去噪更為精確，但該方法計(jì)算復(fù)雜，耗時長。因此應(yīng)針對測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)所需的探測范圍、精度和數(shù)據(jù)處理運(yùn)行時間來合理選擇去噪方法。文中通過與國外測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行外場對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了文中提出的載噪比算法的正確性，同時還對比分析驗(yàn)證了該算法對兩種不同的去噪方法均適用。

在用載噪比初步判別信號有效區(qū)間的基礎(chǔ)上，本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析驗(yàn)證了文中提出的信號有效性算法的正確性，同時該算法能進(jìn)一步縮小信號的有效區(qū)間，從而提高了信號的有效精度，進(jìn)而能大大提高其反演出的風(fēng)場信息的可靠性。

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Research on the algorithms of carrier to noise ratio and effectiveness of wind lidar signal

Luo Tian1, Hu Fangren1, Zhu Hailong2

(1. School of Optoelectronic Engineering, Nangjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046, China;2. Advanced Solid-State Laser Technology Research and Development Center, Nanjing Institute of Advanced Laser Technology, Nanjing 210038, China)

The carrier to noise ratio and the effectiveness of signal are important index for the performance of wind lidar. In our paper, we propose two new algorithms to analyze the carrier to noise ratio and the effectiveness of the signal, respectively. The out-field comparative experiments results indicate that the proposed carrier to noise ratio algorithm is correct and it is feasible to different denoising methods. Also, the experimental results show that there are good consistencies between the carrier to noise ratio and the effectiveness algorithms in judging the effectiveness of the signal. Meanwhile, compared with the carrier to noise ratio algorithm, the new effectiveness algorithm can reduce the effective range of the lidar signal, thus improving the accuracy of the effectiveness of the signal and wind information.

wind lidar; carrier to noise ratio; effectiveness; signal analysis

TN956

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.003

羅甜，胡芳仁，朱海龍.測風(fēng)激光雷達(dá)信號載噪比和有效性算法研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(12)：8-12.

2016-12-26)

羅甜(1992-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：測風(fēng)激光雷達(dá)信號處理。E-mail:18795958495@163.com。

胡芳仁(1973-)，男，博士，教授，主要研究方向：微納米尺度的新型光電集成器件。

朱海龍(1988-)，男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。