CN113253301A

CN113253301A - 多频脉冲激光雷达信号处理方法及测风雷达系统

Info

Publication number: CN113253301A
Application number: CN202110754595.XA
Authority: CN
Inventors: 李健兵; 徐荷; 王雪松
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2021-07-05
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2041-07-05
Also published as: CN113253301B

Abstract

本申请涉及一种多频脉冲激光雷达信号处理方法及测风雷达系统。所述方法包括：通过发射多个频率相干的激光脉冲信号对目标进行探测，并相应接收多个不同距离的目标反射的多频回波信号，采用微波信号处理方式对多频回波信号进行处理得到目标的移动速度。采用本方法能够解决传统单频激光雷达速度/距离分辨两难的问题，即提升传统激光雷达速度分辨会降低距离分辨，提升距离分辨又会降低速度分辨，在更低信噪比下实现对复杂风场的精细探测，并且通过调节多频信号之间频率差以适应各种探测情况。

Description

多频脉冲激光雷达信号处理方法及测风雷达系统

技术领域

本申请涉及激光雷达测风技术领域，特别是涉及一种多频脉冲激光雷达信号处理方法及测风雷达系统。

背景技术

复杂风场是指时间和空间上变化较为剧烈的风场，包括风切变、飞行器扰动场等中小尺度气流场，其全天候探测是研究复杂目标动力学规律的关键问题，也是空间信息获取与气象探测的交叉研究方向，在军民用航空安全、环境监测、重要武器发射保障和反隐身等方面都具有重要应用需求。激光雷达以激光为信息承载介质，因激光的高单色性、高相干性、高方向性以及非接触性等优点，广泛应用于风场测量等领域。其在晴空条件下具有较好的探测能力，主要原理是通过发射激光载波，与空气中气溶胶粒子相互作用后发生多普勒频移，检测散射回波的多普勒频移得到风速，间接实现风场信息的感知。

在现有单频激光雷达数据处理方式方面，由于激光相干长度短，现有激光雷达无法像传统微波雷达那样使用脉冲之间的采样进行相干积累，取而代之的是直接使用相邻采样进行相干处理，即对某一脉冲重复周期(PRT)内的相邻N个采样进行频谱分析，再进行M个脉冲的非相干累积提高信噪比，最终获得这相邻N个采样的平均多普勒速度。根据信号处理理论，回波的速度分辨率与相干时间长度成正比，因此使用这种相邻采样相干方式，若想得到高的速度分辨率则需要使用更多的采样点，附加的影响是距离分辨(相邻N个采样包含的范围)变差；若想得到高的距离分辨，则使用的采样点较少，附加影响是速度分辨变差。因此单频激光雷达体制面临着速度分辨和距离分辨两难的境地，难以满足精细风场感知等现实需求。并且由于单次采样的宽度为一个脉冲宽度(T_P)，距离分辨的中心部分被多次采样重叠，频谱分辨率较高，越靠近两边的采样重叠越少，拉低了整体的频谱分辨率，获得的平均多普勒速度是该距离分辨内粒子的稀疏平均速度,不可避免地会和该距离分辨的真实平均速度有误差。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够解决传统的单频激光雷达在速度分辨和距离分辨两难问题的一种多频脉冲激光雷达信号处理方法及测风雷达系统。

一种多频脉冲激光雷达信号处理方法，所述方法应用于测风雷达系统中，所述测风雷达系统包括多频连续激光产生装置、第一光纤分束器、脉冲调制器、射频驱动源、环形器、光学收发装置、连续可调衰减器、第二光纤分束器、平衡探测器、模拟数字转换采集卡、数字信号处理系统，

通过所述多频连续激光产生装置产生各频率高相干的多频激光信号，将所述多频激光信号通过所述第一光纤分束器分为两束多频激光信号，将其中一束作为本征参考光，另外一束作为信号光；

所述信号光通过脉冲调制器以及射频驱动源对其进行调制后得到多频脉冲激光信号，所述多频脉冲激光信号依次通过所述环形器、光学收发装置向观测区域发射，并与所述观测区域内的处在不同径向距离单元的多个目标点发生散射，部分散射回波返回光学收发装置，再通过环形器，形成第一多频脉冲回波信号；

所述本征参考光通过连续可调衰减器后与所述第一多频脉冲回波信号同时通过所述第二光纤分束器后通过所述平衡探测器，得到频率为多普勒频移的第二多频脉冲回波信号；

再将所述第二多频脉冲回波信号输入模拟数字转换采集卡按照预设的采样频率进行采样后得到第一多频脉冲采样信号；

将第一多频脉冲采样信号输入所述数字信号处理系统进行信号处理，将第一多频脉冲采样信号进行平方率检测及低通滤波，得到各频率间频差即对应多普勒频移的第二多频脉冲采样信号，每个脉冲重复周期内包括多个采样点，每个采样点对应一个距离单元，各脉冲重复周期内的采样点个数由脉冲重复周期与采样时间间隔之比得到；

对同一距离单元对应的多个脉冲重复周期的采样数据进行相干多普勒处理，得到该距离单元的多普勒频谱，由其频谱估计得到该距离单元内各目标点的平均速度，依次计算各所述不同径向距离单元内各目标点的平均速度。

在其中一实施例中，所述脉冲调制器还输出与所述多频脉冲激光信号同步的电信号给模拟数字转换采集卡作为采样的触发信号。

在其中一实施例中，对同一距离单元对应的多个脉冲重复周期的采样数据进行相干多普勒处理，得到该距离单元内各目标点的平均速度，包括：

在一个距离单元对应的多个相邻脉冲重复周期的采样数据进行自相关计算，得到自相关计算结果；

根据自相关计算结果进行傅里叶变换后得到该距离单元对应的多普勒频谱，通过频谱估计得到对应该距离单元的多个多普勒频率；

根据多个多普勒频率与多频激光信号各频率的频差进行计算得到该距离单元内各目标点的平均速度。

在其中一实施例中，根据所述多个多普勒频率与多频激光信号各频率的频差进行计算得到该距离单元内各目标点的平均速度，包括：

根据各所述多普勒频率分别与对应的所述频差进行计算，得到该距离单元内各目标点的多个平均多普勒速度；

将多个所述平均多普勒速度进行平均计算得到该距离单元内目标点的平均速度。

本申请还提供了一种测风雷达系统，包括：

多频连续激光产生装置，用于产生各频率高相干的多频激光信号；

第一光纤分束器，用于将所述多频激光信号分为两束多频激光信号，其中一束作为本征参考光，另外一束作为信号光；

脉冲调制器，用于将所述信号光调制为多频脉冲激光信号；

射频驱动源，用于提供脉冲调制的射频信号，以调制所述多频脉冲激光信号的宽度和重复频率；

环形器，用于将调制好的多频脉冲激光信号发送至光学收发装置并从光学收发装置接收第一多频脉冲回波信号；

所述光学收发装置，用于将所述多频脉冲激光信号向观测区域发射，并接收与所述观测区域内的处在不同径向距离单元的多个目标点发生散射回来形成的第一多频脉冲回波信号；

连续可调衰减器，用于调节所述本征参考光的强度；

第二光纤分束器，用于将调节强度后的本征参考光以及所述第一多频脉冲回波信号同时输入平衡探测器；

所述平衡探测器，用于根据所述本征参考光以及第一多频脉冲回波信号进行平方率检测，得到频率为多普勒频移的第二多频脉冲回波信号；

模拟数字转换采集卡，用于对所述第二多频脉冲回波信号按照预设的采样频率进行采样后得到第一多频脉冲采样信号；

数字信号处理系统，用于对所述第一多频脉冲采样信号进行信号处理，

将第一多频脉冲采样信号进行平方率检测及低通滤波，得到各频率间频差即对应多普勒频移的第二多频脉冲采样信号，每个脉冲重复周期内包括多个采样点，每个采样点对应一个距离单元，各脉冲重复周期内的采样点个数由脉冲重复周期与采样时间间隔之比得到；

在其中一实施例中，所述脉冲调制器还用于输出与所述多频脉冲激光信号同步的电信号给模拟数字转换采集卡作为采样的触发信号。

在其中一实施例中，所述脉冲调制器包括声光调制器，或电光调制器。

在其中一实施例中，所述射频驱动源包括任意波形发生器，或晶体管逻辑电平信号发生器，或射频信号发生器。

上述多频脉冲激光雷达信号处理方法及测风雷达系统，利用多频脉冲激光向观测区域发射，并采用脉间相干的方法对回波数据进行处理得到观测区域中处于不同位置目标的平均速度，这样的方式可以解决传统单频激光雷达速度分辨和距离分辨两难的问题，且为复杂风场的精细探测提供新的有效技术手段。

附图说明

图１为一个实施例中测风雷达系统的结构示意图；

图２为一个实施例中测风雷达系统中各位置信号频谱示意图；

图３为一个实施例中数字信号处理系统中多频脉冲激光雷达信号处理方法示意图；

图４为一个实施例中数字信号处理系统中单频脉冲激光雷达信号处理方法示意图；

图５为一个实施例中对多频脉冲激光雷达信号处理方法与单频脉冲激光雷达信号处理方法进行仿真得到的速度平均测速误差仿真图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供了一种多频脉冲激光雷达信号处理方法，该方法应用于测风雷达系统中，测风雷达系统包括多频连续激光产生装置、第一光纤分束器、脉冲调制器、射频驱动源、环形器、光学收发装置、连续可调衰减器、第二光纤分束器、平衡探测器、模拟数字转换采集卡、数字信号处理系统，

通过多频连续激光产生装置产生各频率高相干的多频激光信号，将多频激光信号通过第一光纤分束器分为两束多频激光信号，将其中一束作为本征参考光，另外一束作为信号光；

信号光通过脉冲调制器以及射频驱动源对其进行调制后得到多频脉冲激光信号，多频脉冲激光信号依次通过环形器、光学收发装置向观测区域发射，并与观测区域内的处在不同径向距离单元的多个目标点发生散射，部分散射回波返回光学收发装置，再通过环形器，形成第一多频脉冲回波信号；

本征参考光通过连续可调衰减器后与第一多频脉冲回波信号同时通过第二光纤分束器后，通过平衡探测器，得到频率为多普勒频移的第二多频脉冲回波信号；

再将第二多频脉冲回波信号输入模拟数字转换采集卡按照预设的采样频率进行采样后得到第一多频脉冲采样信号；

将第一多频脉冲采样信号输入数字信号处理系统进行信号处理，

将多频脉冲采样信号进行平方率检测及低通滤波，得到各频率间频差即对应多普勒频移的第二多频脉冲采样信号，每个脉冲重复周期内包括多个采样点，每个采样点对应一个距离单元，各脉冲重复周期内的采样点个数由脉冲重复周期与采样时间间隔之比得到；

对同一距离单元对应的多个脉冲重复周期的采样数据进行相干多普勒处理，得到该距离单元的多普勒频谱，由其频谱估计得到该距离单元内各目标点的平均速度，

依次计算各不同径向距离单元内各目标点的平均速度。

可以看出，本申请中的多频脉冲激光雷达信号处理方法包括在测风雷达中由各部件对信号进行处理的一部分，还包括最后在数字信号处理系统中进行处理的一部分，并且两者是先后处理的过程，是一个完整的技术方案。为了更好的理解本方法，在对第一部分信号处理方法进行说明时将会结合本申请中提供的测风雷达系统一起说明，之后再对数字信号处理系统中的信号处理方法进行说明。

如图1所示，本申请还提供了一种测风雷达系统，包括：

多频连续激光产生装置1，用于产生各频率高相干的多频激光信号；

第一光纤分束器2，用于将多频激光信号分为两束多频激光信号，其中一束作为本征参考光，另外一束作为信号光；

脉冲调制器3，用于将信号光调制为多频脉冲激光信号；

射频驱动源4，用于提供脉冲调制的射频信号，以调制多频脉冲激光信号的宽度和重复频率；

环形器5，用于将调制好的多频脉冲激光信号发送至光学收发装置6并从光学收发装置6接收第一多频脉冲回波信号；

光学收发装置6，用于将多频脉冲激光信号向观测区域发射，并接收与观测区域7内的处在不同径向距离单元的多个目标点发生散射回来形成的第一多频脉冲回波信号；

连续可调衰减器8，用于调节本征参考光的强度；

第二光纤分束器9，用于将调节强度后的本征参考光以及第一多频脉冲回波信号同时输入平衡探测器10；

平衡探测器10，用于根据本征参考光以及第一多频脉冲回波信号进行平方检测，得到频率为多普勒频移的第二多频脉冲回波信号；

模拟数字转换采集卡11，用于对第二多频脉冲回波信号按照预设的采样频率进行采样后得到第一多频脉冲采样信号；

数字信号处理系统12，用于对第一多频脉冲采样信号进行信号处理，

对同一距离单元对应的多个脉冲重复周期的采样数据进行相干多普勒处理，得到该距离单元的多普勒频谱，由其频谱估计得到该距离单元内各目标点的平均速度，依次计算各不同径向距离单元内各目标点的平均速度。

具体的，测风雷达系统各部件之间的连接关系为：多频连续激光器产生装置1的输出端与第一光纤分束器2的输入端连接，第一光纤分束器2将多频激光分成两份，其中第一输出端A₁输出本征参考光，第二输出端B₁输出信号光。第一光纤分束器2的第一输出端A₁与连续可调衰减器8的输入端连接，连续可调衰减器8的输出端和第二光纤分束器9的第一输入端A₃连接。

第一光纤分束器2的第二输出端B₁与脉冲调制器3的输入端连接，射频驱动源4的输出端A₄与脉冲调制器3的驱动信号输入端相连，脉冲调制器3的输出端和环形器5的输入端连接，环形器5的第一输出端A₂和光学收发装置6的输入端连接，光学收发装置6出射的光束照在目标也就是观测区域7上，目标7的后向散射回波经过光学收发装置6收集，再回到环形器5的第一输出端A₂，在环形器5内部传输到第二输出端B₂和第二光纤分束器9的第二输入端B₃连接。第二光纤分束器9的输出端和平衡探测器10的输入端连接，平衡探测器10的输出端和模拟数字转换采集卡11的输入端连接，模拟数字转换采集卡11的输出端和数字信号处理系统12的输入端连接。射频驱动源4的输出端B₄输出和脉冲同步的电信号，输出给模拟数字转换采集卡11作为回波采集的触发信号。

在其中一实施例中，多频连续激光器产生装置1用于输出具有相干性的多频连续激光，包括但不限于各种利用倍频，移频，电光调制，锁模激光器选频等方法产生的多频连续激光。

在其中一实施例中，探测目标物为流体粒子，包括但不限于大气气溶胶，若探测目标物为大气气溶胶则该激光雷达用于探测大气风速。

在其中一实施例中，脉冲调制器包括但不限于声光调制器（AOM），或电光调制器（EOM）。

在其中一实施例中，射频驱动源包括但不限于任意波形发生器（AWG），或晶体管逻辑电平信号TTL发生器，或射频信号发生器。

在其中一实施例中，数字信号处理系统12为DSP数据处理系统。

在对多频连续激光器产生装置1发射出的多频激光信号进行设置时，需要实现既能覆盖探测区域的读取范围，以实现较高的速度探测精度。

其中，目标回波的多普勒频移最大不能超过脉冲重复频率的一半，采用现有的多频激光雷达体制，目标的最大多普勒频移

，则最大多普勒绝对速度

，反比于频差，即降低频差可以测量更大的速度范围。

速度测量的精度又取决于获取的功率谱的频率精度，功率谱是通过对一系列回波的采样进行自相关计算,再进行傅里叶变换得到的，对应的速度测量精度为：

，其中相干回波数M越大，频差Δf越大，脉冲重复频率PRF越小，测速精度ΔV_r越小，即测速越精确。

因此需要合理的选择频差的大小来平衡测速范围和测速精度达到探测要求。

在对脉冲调制器3和射频驱动源4进行设置时，需要使得多频脉冲激光信号的脉冲重复频率和脉冲宽度符合一定的要求。

其中，脉冲重复频率PRF=1/PRT，其中PRT为脉冲重复周期，指一个脉冲起始时刻到下一个脉冲起始时刻之间的时差。由于脉冲式激光雷达采用飞行时间法测距，即目标距离R=回波的接收时刻和发射时刻之差ΔT×光速c/2，Δt最大不得超过脉冲重复周期PRT，否则接收回波的时刻会重叠到下个脉冲周期，称为距离模糊，需要额外采用复杂的手段求解距离模糊。则为了获得较远的测量距离又不造成距离模糊，测量距离的最大值为R_max=c/2/PRF。

由于气溶胶等粒子的散射回波很弱，测风激光雷达属于微弱信号探测，如果发射的探测脉冲能量过低，回波信噪比会极低难以实现测速测距，所以如果设定的脉冲宽度T_P较窄时，要放大到较高的峰值功率才能满足最低的脉冲能量需求。但是峰值功率过高容易引发非线性效应，使得光频率在传输时候即发生偏移，故而脉冲宽度不宜过窄。同时脉冲宽度也不宜过宽，脉宽越大，回波单次测量所包含的区域(c•T_P/2)越大，则其中包含的粒子速度越复杂，导致计算得到的多普勒频谱越宽。由于选择多个频率探测，最后的多普勒频谱上会得到多个频率峰(Δ₂–Δ₁, Δ₃–Δ₂, Δ₃–Δ₁, …)，如果频谱展宽各峰极易发生混叠，难以清晰获取频率峰的具体数值。

在连续可调衰减器8对本征参考光

进行调节后得到公式(1)：

（1）

而通过第二分束器的第一多频脉冲回波信号与本征参考光

进行合束后得到公式（2）：

（2）

在公式（2）中回波

的相位项在数据处理时没有影响，都省略未写，并且为简单起见，系统内同一位置处各频率的强度写成相等，不影响方法的实现过程。回波

和参考光

一同进入第二光纤分束器9后再被传输到平衡探测器10进行相干检测及信号的光电转换。

由于光敏介质对光是强度响应，探测器检测到的参考光和回波相干后的光强Z²又被称为平方律检测。进行平方律检测时，产生了和频信号包含频率2f ₁+Δ₁, 2f ₂+Δ₂, 2f ₃+Δ₃, f ₁+Δ₁+f ₂等及差频信号包含频率Δ₁, Δ₂, Δ₃, f ₁+Δ₁-f ₂等。受限于平衡探测器带宽，仅频率为Δ₁, Δ₂, Δ₃, …的各频差多普勒频移项通过，高频项无法被响应，高频频率丢失，即通过信号也就是频率为多普勒频移的第二多频脉冲回波信号：

（3）

在将上述通过信号公式（3）输入模拟数字转换采集卡11，其中，模拟数字转换采集卡11采用射频驱动源4输出和脉冲同步的电信号作为采样的触发信号，并按照预设的采样频率f _S对公式（3）进行采样，采样间隔Δt=1/f _S。

之后，通过模拟数字转换采集卡11对低频通过信号也就是公式（3）进行采样后，得到第一多频脉冲采样信号，并将其输入数字信号处理系统12进行进一步处理，也就是本申请方法的另外一部分包括一下步骤：

其中，对同一距离单元对应的多个脉冲重复周期的采样数据进行相干多普勒处理，得到该距离单元内各目标点的平均速度包括：在一个距离单元对应的多个相邻脉冲重复周期的采样数据进行自相关计算，得到自相关计算结果，根据自相关计算结果进行傅里叶变换后得到该距离单元对应的多普勒频谱，通过频谱估计得到对应该距离单元的多个多普勒频率，根据多个多普勒频率与多频激光信号各频率的频差进行计算得到该距离单元内各目标点的平均速度。

其中，根据多个多普勒频率与多频激光信号各频率的频差进行计算得到该距离单元内目标点的平均速度包括：根据各多普勒频率分别与对应的频差进行计算，得到该距离单元内各目标点的多个平均多普勒速度，将多个平均多普勒速度进行平均计算得到该距离单元内各目标点的平均速度。

具体的，在第一多频脉冲采样信号输入到数字信号处理系统12再次被平方率检测，即再次产生和频和差频项，低通滤波后和频项被滤除，余下差频项，得到第二多频脉冲采样信号为：

（4）

在公式（4）中，Δ₂–Δ₁, Δ₃–Δ₂, Δ₃–Δ₁, …也就是多组频差的多普勒频移。

根据相干时间对第二多频脉冲采样信号进行分组，其中气溶胶粒子的运动

小于一个波长的时间认为处在相干时间内(举例：假设在1G频差，气溶胶粒子运动速度为20m/s，PRF=10KHz的条件下，相干时间为

)。

假设处于一个相干时间内的数据时长为M个PRT，以第1个PRT到第M个PRT的连续M个脉冲的第i个采样数据为例，假设为Z_DSP(PRT,i) ~ Z_DSP(M•PRT,i)，对其求自相关：

（５）

在公式（5）中，

为范围从1到第M个PRT的变量。

再进行傅立叶变换：

（６）

此时获得第i个采样单元的频谱，通过频谱分析获得n个频率的

个多

普勒频率(Δ₂–Δ₁, Δ₃–Δ₂, Δ₃–Δ₁, …)，再将这

个多普勒频率正比于多频激光的频差(f₂–f₁, f₃–f₂, f₃–f₁, …)，由

即可反推出该采样即距离分辨的平均多普勒速度，f_d为多普勒频差，Δf为频差。而每一组多普勒频差与对应的多频连续激光信号的频差均可求出一个平均速度，例如

，

等，对这几个频差的速度求平均即可得到该目标点的平均速度。

进一步的，在每一个脉冲重复周期内，各采样数据均对应一个不同位置的多个目标点的回波数据，并且根据各目标点所在的径向距离从近到远依次接收到回波数据。因为在对观测区域发射多频脉冲激光信号时是根据设置的脉冲重复频率进行发射，则在多个脉冲重复周期内，对于每一个距离单元内的多个目标点都能在每一个脉冲重复周期接收到一次回波数据。这样对于每一个目标点在M个脉冲重复周期内的M个采样点数据进行相关计算-傅立叶变换-频谱估计-求平均的方法，即可得到每个采样单元的平均速度，最终形成随距离变化的速度分布。

接下来，以三频脉冲激光信号为例，结合图２，进一步说明在测风雷达系统中各位置中信号频谱变化。

第一光纤分束器2的第一输出端A₁和第二输出端B₁都输出三频激光信号f₁, f₂,f₃，第一光纤分束器2的第二输出端B₁经过脉冲调制器3调制脉冲后，由环形器5的第一输出端A₂发射到目标上并原路接收，内部传输到第二输出端B₂，此时回波中三频信号携带正比于各自频率的多普勒频移，回波频率为f₁+δ₁, f₂+δ₂, f₃+δ₃。第一光纤分束器2的第一输出端A₁的输出的三频信号经过连续可调衰减器8调节信号强度后，经第二光纤分束器9的第一输入端A₃传输到第二光纤分束器9，回波经第二光纤分束器9的第一输入端B₃传输到到第二光纤分束器9，则第二光纤分束器9内包含六个频率f₁, f₂, f₃, f₁+δ₁, f₂+δ₂, f₃+δ₃。第二光纤分束器9将六个频率传输到平衡探测器10进行平方率检测，由于三频信号的良好相干性发生干涉，只有满足探测器带宽范围的低频信号δ₁,δ₂,δ₃留下。平衡探测器10的低频信号经过A/D模拟数字转换采集卡11采集后传输到DSP数字信号处理系统12进行平方处理留下低频信号δ₂-δ₁，δ₃-δ₂，δ₃-δ₁，即正比于频差信号的多普勒频移。

接下来还通过对比本申请中对多频激光脉冲信号进行处理的方法，与传统单频激光脉冲信号进行处理的方法进行对比说明以体现出当前单频激光雷达的速度/距离分辨两难原因，以两种方法在数字信号处理系统中的处理部分为例：

如图3所示，在接收到A/D模拟数字转换采集卡11传输来的回波信号后，DSP数字信号处理系统12对所有信号进行平方，再低通滤波，在相干时间内得到连续M个PRT，依次对每个采样距离内连续M个脉冲的数据进行自相关-傅立叶变换-频谱分析-速度平均，获得每个采样距离的平均多普勒速度，最后形成随距离的速度分布。第i个采样距离的信号Z_D(0,i)~ Z_D(M•PRT,i)为例，功率谱：

（7）

在公式（7）中，其中角频率

。由于采用脉间相干，频率分辨率正比于脉冲重复频率PRF=1/PRT，每隔一个采样间隔可获得距离分辨为

的平均功率谱。从平均功率谱

估计得到距离单元的多普勒速度，其中一种实现方法是功率谱的分段加权平均，即

　　（8）

考虑到经过(M+1)个PRT时间，粒子的移动远小于单频激光雷达相邻采样相干中粒子位置的移动距离，可以认为多频激光雷达不存在采样位置移动造成的频谱污染。增加相干脉冲数目即可在不影响距离分辨的情况下提高速度分辨，降低脉冲宽度即可提升距离分辨。

如图4所示，在每个PRT内，以T_s为间隔连续采样N次，每次采样得到时间宽度T_p的粒子回波信号，将一个PRT内连续的L个采样做自相关然后傅立叶变换，最后将M个PRT计算得到的频谱累加，进行频谱估计得到多普勒频移，反推出这L个采样对应长度的平均速度。依次对PRT内所有采样施以同样过程，即可得到随距离的速度分布。以位于时刻t_m的第k个脉冲采样的连续L个回波序列Z_s(t_m,k) ~ Z_s(t_m,k+L)的为例，其经过M个脉冲的非相干积累得到的平均功率谱密度为

（9）

在公式（9）中，角频率

，

为采样频率，可以看出，采用相邻采样相干的方式，计算出的频谱密度来自于不同位置处的散射粒子，因此反演得到的风速是整个探测区域内风速的稀疏平均值，中心区域采样点数较多，频谱分辨率较高，越靠近两边的采样点数越低，拉低了整体的频谱分辨率。并且这种经典谱估计方法本身也存在误差，当采样点数少时，频率分辨率低；加窗带来的频率泄露也会导致估计的频率不准。因此想要在传统单频激光雷达中获得精细的频谱分辨就需要进行更多次的采样，距离分辨(NT_s+T_p)c/2就会不可避免的增大。

接下来还对本申请中对多频激光脉冲信号处理方法（以三频为例），与传统单频激光脉冲信号处理方法进行分别仿真，以分别得到不同方法下测风雷达系统的平均测速误差，如图５所示。

根据风场总粒子数目

在接收回波中添加随机噪声

，其强度I_n由给定的SNR和探测信号的强度综合设定，单/三频激光雷达仿真时的脉冲和系统参数与图５中描述的一致，涵盖100m风场范围需要65个采样点。使用单/三频激光雷达的采样和数据处理方式，得到不同信噪比（SNR）下的各采样点的平均测速误差也就是图中的平均误差如点虚线(20ns-单频)和十字虚线(20ns-双频)所示。按照曲线的趋势可分为四个阶段：

区域1：在信噪比较低在-15~-12dB时，单三频激光雷达的平均测速误差都较大在6m/s附近；

区域2：随着信噪比增大到-6dB，三频激光雷达的平均测速误差迅速降低到大约0.2m/s，单频激光雷达误差缓慢下降到5m/s；

区域3：信噪比进一步增大到4dB，三频激光雷达的误差稳定在0.2m/s，单频激光雷达的平均误差快速降低到约3.5m/s；

区域4：信噪比较大，高于4dB时，单频和三频激光雷达的测速误差都虽有轻微波动但都基本稳定下来，但三频激光雷达的测速误差更小。

由此可见，得益于较优的脉间相干积累方式，三频激光雷达信号强度提升更大，有利于排除噪声干扰，实现弱信号下的精准速度测量，有望达成更远距离的探测。

上述多频脉冲激光雷达信号处理方法中，通过产生高相干的多频连续激光源作为载波(f₁, f₂, f₃, …)，频差处于微波波段。将多频连续载波一分为二，一路调制脉冲后作为信号光发射到大气中和气溶胶粒子相互作用，信号光中的多个频率各自产生正比于频率的多普勒频移(Δ₁=v• f₁/2c, Δ₂= v• f₂/2c, Δ₃=v• f₃/2c, …)，另一路作为参考光和回波合束后被送到光电探测器。通过光电探测器将光信号转变为电信号的同时，对参考光和信号光进行相干拍频，经由A/D模拟数字转换采集，再由DSP信息处理器进行平方律检测(Δ₁+Δ₂+Δ₃+…)²得到多个频率的多普勒频移差值(Δ₂–Δ₁, Δ₃–Δ₂, Δ₃–Δ₁, …)，即处于微波频段的频差的多普勒频移。最终得出的多普勒频差数目和使用的多频数目相关，若使用n个频率，则得到

个多普勒频移差值。

因为多频信号的频差对应着较长的等效波长，在相同速度下对应着更长的相干时间，故多频脉冲激光雷达可以沿用脉冲微波雷达的信号处理方式，即相邻脉冲相干方式，对某一采样距离内连续M个脉冲的采样数据进行频谱分析及多普勒估计，获得该距离单元(T_p• c/2)的平均多普勒速度。

在这种相邻脉冲相干的处理方式下，增加相干脉冲数目M即可提高速度分辨，降低脉冲宽度T_p即可减小距离分辨,且速度分辨和距离分辨互不影响。由于在通常测风的速度范围内，经过M个PRT时间后采样粒子基本上仍处在当前距离分辨(T_p• c/2)内，没有明显移出，可以认为多频激光雷达不存在采样位置移动造成的频谱污染，获得的平均多普勒速度可以反应该距离分辨内粒子的平均速度。

在利用多普勒频移反演出速度的过程中，光学噪声、系统噪声以及电噪声等都会使得激光谱线展宽，其中散斑噪声有较大的影响。散斑噪声正比于频率，由于多频频差信号位于微波波段，其频率(小于百GHz)远小于激光频率(百THz)，故而多频激光雷达可抑制散斑噪声带来的多普勒谱线展宽。

因为多频激光雷达对M个连续脉冲进行相干累积可将频谱强度提升M²倍，而传统单频激光雷达对M个脉冲的功率谱进行非相干积累只能将频谱强度提升M~M²倍，积累数目越大约接近M倍。因此得益于多频脉冲激光脉间相干积累的方式，回波信号频谱强度提升更大，有利于排除噪声干扰，在较低的接收回波信噪比下处理得到高信噪比的频谱，有利于取得更低的速度误差，实现弱信号下的精准测速，有望达成更远距离的探测。并且多频激光雷达所提供的多频差使得测速范围和测速精度得以兼顾，频差越小，测速范围越大，频差越大测速精度越高，合理选择载波中的频率f ₁, f ₂, f ₃, …，可以组合出不同的频差，有望在测速范围得到高精度结果。

本方法可以在保留晴空条件下激光雷达优异探测能力的同时，采用微波雷达信号脉间处理的方式，解决传统单频激光雷达速度分辨和距离分辨两难的问题，即提升传统激光雷达速度分辨会降低距离分辨，提升距离分辨又会降低速度分辨。本申请中增加相干脉冲数目可提高速度分辨，降低脉冲宽度即可减小距离分辨,速度分辨和距离分辨的提升互不影响。

在计算功率谱反演速度时，不存在采样位置移动造成的频谱污染，能实现更精确的风速测量。传统激光雷达由于采用相邻采样相干的方法，获得的平均多普勒速度是该距离分辨内粒子的稀疏平均速度,可能会偏离该距离分辨中心的真实平均速度。本方法中采用的脉间相干的信号处理方法使得相干区域精确为每一个距离单元，在通常的雷达相干时间内移进和移出距离单元的粒子很少，因而可以得到在距离单元较准确的频谱和速度估计。

本方法中采用的脉冲相干积累的信号处理方式，能更大程度的提升回波信号频谱强度，有利于排除噪声干扰，在较低的接收回波信噪比下处理得到高信噪比的频谱，有望在更远距离、更低信噪比下实现对复杂风场的精细探测。

本方法采用处于微波波段的多频激光频差信号提取多普勒信息，有效降低了大气湍流等引起的散粒噪声。

本方法使用多频激光信号，其频差可以灵活选择以适应于目标不同速度范围以及不同探测精度的需求，例如对超高速目标可以选择频差较小的多频信号，以降低多普勒频移，满足探测器及数据处理时能达到的带宽要求；对于低速目标增大频差，提高测量精度；甚至在整个测量范围内既有高速又有低速目标时，同时设置大和小多种频差，满足复合探测需求。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.多频脉冲激光雷达信号处理方法，其特征在于，所述方法应用于测风雷达系统中，所述测风雷达系统包括多频连续激光产生装置、第一光纤分束器、脉冲调制器、射频驱动源、环形器、光学收发装置、连续可调衰减器、第二光纤分束器、平衡探测器、模拟数字转换采集卡、数字信号处理系统；

所述本征参考光通过连续可调衰减器后与所述第一多频脉冲回波信号同时通过所述第二光纤分束器后，通过所述平衡探测器，得到频率为多普勒频移的第二多频脉冲回波信号；

将所述第一多频脉冲采样信号输入所述数字信号处理系统进行信号处理，将第一多频脉冲采样信号进行平方率检测及低通滤波，得到各频率间频差即对应多普勒频移的第二多频脉冲采样信号，每个脉冲重复周期内包括多个采样点，每个采样点对应一个距离单元，各脉冲重复周期内的采样点个数由脉冲重复周期与采样时间间隔之比得到；

2.根据权利要求1所述多频脉冲激光雷达信号处理方法，其特征在于，所述脉冲调制器还输出与所述多频脉冲激光信号同步的电信号给模拟数字转换采集卡作为采样的触发信号。

3.根据权利要求2所述多频脉冲激光雷达信号处理方法，其特征在于，对同一距离单元对应的多个脉冲重复周期的采样数据进行相干多普勒处理，得到该距离单元内各目标点的平均速度，包括：

根据所述自相关计算结果进行傅里叶变换后得到该距离单元对应的多普勒频谱，通过频谱估计得到对应该距离单元的多个多普勒频率；

根据所述多个多普勒频率与多频激光信号各频率的频差进行计算得到该距离单元内各目标点的平均速度。

4.根据权利要求3所述多频脉冲激光雷达信号处理方法，其特征在于，根据所述多个多普勒频率与多频激光信号各频率的频差进行计算得到该距离单元内各目标点的平均速度，包括：

5.测风雷达系统，其特征在于，包括：

脉冲调制器，用于将所述信号光调制为多频脉冲激光信号；

所述光学收发装置，用于将所述多频脉冲激光信号向观测区域发射，并接收与所述观测区域内的处在不同径向距离单元的多个目标点散射回来形成的第一多频脉冲回波信号；

连续可调衰减器，用于调节所述本征参考光的强度；

数字信号处理系统，用于对所述第一多频脉冲采样信号进行信号处理，将第一多频脉冲采样信号进行平方率检测及低通滤波，得到各频率间频差即对应多普勒频移的第二多频脉冲采样信号，每个脉冲重复周期内包括多个采样点，每个采样点对应一个距离单元，各脉冲重复周期内的采样点个数由脉冲重复周期与采样时间间隔之比得到；

6.根据权利要求5所述的测风雷达系统，其特征在于，所述脉冲调制器还用于输出与所述多频脉冲激光信号同步的电信号给模拟数字转换采集卡作为采样的触发信号。

7.根据权利要求6所述的测风雷达系统，其特征在于，所述脉冲调制器包括声光调制器，或电光调制器。

8.根据权利要求6所述的测风雷达系统，其特征在于，所述射频驱动源包括任意波形发生器，或晶体管逻辑电平信号发生器，或射频信号发生器。