（地图学与地理信息系统专业论文）海洋大气激光探测中的数字信号处理.pdf

海洋大气激光探测中的数字信号处理 海洋大气激光探测中的数字信号处理 摘要 非相干测风激光雷达是目前唯一可探测晴空风场精细结构的遥感手段，对于 数值天气预报，大气动力学研究、航空安全预警和国防应用都有重要的意义和显 著的应用前景。面向气象应用要求的激光雷达回波信号处理的研究，也将为我国 星载激光雷达的发展奠定一定的基础。本论文针对大气探测激光雷达的数字信号 处理，进行了研究。 通过分析大气探测激光雷达回波信号，回波信号中的噪声主要包括背景噪 声、电噪声以及大气扰动噪声等，并对部分噪声的抑制提出了降噪方案。通过距 离校正，得到探测距离。使用m 1 r i 法去除物理杂波噪声。设计滤波器，选取合 适的截止频率，消除由接收系统各环节电子器件引起的高频电噪声。 针对风速测量对观测时间的需求，论文利用经验模式分解e m d 算法在频率 分解上的优势，对激光雷达回波信号进行处理，我们可以看到使用e m d 方法能 够很好的提高激光雷达回波信号的信噪比。同时，我们对回波信号进行镜像闭合 延拓，然后分解，从而解决了e m d 方法的端点问题。为了提高径向风速的反演 精度，论文采用小波分析的方法。通过分析，选取双正交小波进行分析，由激光 雷达回波信号来确定阈值，对回波信号以及风速数据进行降噪处理，得到了很好 的效果。 综合运用论文中介绍的信号处理方法，对激光雷达回波信号进行风场反演， 反演结果证明，信号处理方法很好的提高风速反演精度，并且能够保留信号中的 细微变化。 关键宇：大气探测激光雷达信号处理e m d 小波分析 海洋大气激光探测中的数字信号处理 t h ed i g i c a id a t ap r o c e s s i n go f o c e a na t m o s p h e r ed e t e c tio n a b s t r a c t 1 1 1 c o h e r e n td o p p l e rw i n dl i d a ri sc u r r e n t l yt h eo n l ya v a i l a b l ei n s t r u m e n tf o rw i n d f i e l dm e a s u r e m e n ti nt h ed e a ra t m o s p h e r e i ti sc a p a b l eo fo b t a i n i n g2 dw i n df i e l d w i t hh i g hs p a t i o - t e m p o r a lr e s o l u t i o nw h i c hi se s s e n t i a lt on u m e r c a lw e a t h e rf o r e c a s t , a t m o s p h e r i cd y n a m i c sa n da e r o n a u t i cs e c u r i t y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed i g i t a ld a t a p r o c e s s i n go f o c e a na t m o s p h e r ed e t e c t i o n b ya n a l y z i n gt h el i d a rb a c k s c a t t e r s ，t h en o i s eo fs i 鲫a i n c l u d e sb a c k g r o u n dn o i s e ， e l e c t r o n i cn o i s ea n da l r a o s p h e r i ef l u c t u a t i o na n ds oo n t h i sp a p e rg i v e st h ed e n i o s e d p r o p o s a l f o re x a m p l e ，b yp r o o f r e a d i n gt h es i 割i a l ，w ec a l lo b t a i nt h ed i s t a n c eo f d e t e c t i o n t h i ss t u d yu s e st h em t im e t d a o dt ow i p eo f f p h y s i c a ln o i s e a n dw ec h o o s e t h ea p p r o p r i a t ec u t - o f f f r e q u e n c yo f f i l t e rt ow i p eo f f t h ee l e c l x o n i cn o i s e i no r d e rt oa c h i e v eo p e r a t i o n a lm e a s u r e m e n t , t w od i g i t a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa r e a p p l i e df o r t h el i d a rd a t ap r o c e s s i n g f i r s t l y , e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n 饵m d ) a n a l y s i si si m p l e m e n t e dt oi m p r o v et h es n ro fl a s e rb a c k s c a t t e r i n gs i g n a l m e a n t i m e t h i sp a p e re x t e n d st h es i 毋a a la n dt h e nl 瓒e m dm e t h o d ，s ow ec a l lp r o c e s st h ep o i n t p r o b l e m 。s e c o n d l y , w a v e l e ta n a l y s i si su s e dt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ew i n d v e l o c i t yd e r i v e df r o ml i d a rb a c k s c a t t e r i n g t h es t u d yp r o p o s e st o 躐d i s c r e t e b i o r t h o g o n a lw a v e l e t sw i t had i s t a n c e d e p e n d e n tt h r e s h o l dt od e n o i s ew i n ds p e e dt h a t h a sl a r g ed y n a m i cr a n g ea l o n gt h ed a t a p r o f i l e t h es t u d yu s e st h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o ds y n t h e t i c a l l yt or e t r i e v et h ew i n d 丘e i d t h er e s u l tp r o v et h o s em e t h o dc a ni m p r o v et h ea c c u r a c yo fw i n df i e l da n dp r e s e r v e t h en e e n yi n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：l i d a r , s i 印a ip r o c e s s i n g , e m d ，w a v e l e ta n a l y s i s 海洋大气激光探铡中的数字信号处理 0 前言 本论文的只要工作是海洋大气激光雷达数字信号处理。通过分析激光雷达 回波信号，对信号进行处理，最终反演风场。 本论文共分为六个部分。 第一部分对激光雷达进行了概述。介绍了激光雷达的发展、分类以及激光 雷达在大气探测中的应用。并且对信号处理方法进行了描述，讲述了e 舳分解和 小波分析的发展和应用。 第二部分对激光雷达回波信号进行了分析，分析了产生噪声的原因，并且 提出了抑制噪声的方案。 第三部分介绍了激光雷达信号传统处理方法，包括时间平均，频谱分析以 及中值滤波等，并对回波信号进行了初步分析。 第四部分重点介绍了e 分解，采用e m d 分解来提高激光雷达回波信号的 信噪比，同时对信号进行包络极值延拓，解决了e y d 方法的端点问题。 第五部分讲述了采用小波分析提高风速反演精度。通过分析采用双正交小 波，使用回波信号来确定与阈值，对回波信号和风速数据进行降噪处理。 第六部分综合运用了前面讲述的信号处理方法，对激光雷达回波信号进行 综合处理并反演风场。 海洋大气激光探测中的数字信号处理 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 连! 垫遗查基丝盖墓挂型岂咀笪：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：l2 坜甲 签字日期：口7 年月，fe t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 2 签字日期 怠嚼铂霉害礅 电话： 邮编 日 爷一 曲 日 搿 ：强 月 ，p 名 年 鉴 7 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 海洋大气激光撵测中的数字信号处理 1 综述 1 1 激光雷达的概述 1 1 1 激光雷达的发展 激光雷达( l i d a rl i g h td e t e c t i o na n dr a n g i n g ) 是传统雷达技术( 以微波和毫 米波段的电磁波作为载波的雷达) 与现代激光技术相结合的产物。它是以激光器 为辐射源，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的一种雷达。利用激 光进行回波测距和定向，并通过位置、径向速度以及目标物体反射性来识别物体， 激光雷达体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术，是一种极为有效的主 动遥感工具。 激光雷达经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展过程。激光问世的第二 年，即1 9 6 1 年，科学家和工程师们就提出了激光测距、激光雷达、激光制导的 设想。 6 0 年代中期，美国伯金艾莫尔公司研制出第一台h e - n e 激光跟踪测量雷达， 其测距误差为士o 6 m ，测角误差为0 1 m r a d ，并用于靶场测量。随后以人造卫星 测距机的发展最为突出，1 9 6 9 年就精确地测量出了地球测点与月球上反射器之 间的距离。6 0 年代后期和7 0 年代初期，研制的重点转向单脉冲激光雷达和c 0 2 激光雷达。1 9 6 8 年，r a y t h e o n 研制出第一台c 0 2 相干激光雷达。1 9 7 0 年，西尔 瓦尼公司研制成第一台y a g 单脉冲激光雷达，其测距误差为o 1 5 ，测角误差为 o 1 m r a d ，十年后又研制了改进型y a g 单脉冲激光雷达，8 0 年代后期，随着二 极管阵列的出现和二极管泵浦固体激光器的出现，半导体激光雷达、固体激光雷 达和c 0 2 激光雷达齐头并进，在各自的领域内蓬勃发展。1 9 9 2 年，美国科学与 工程设备公司开发了二极管泵浦固态激光器微脉冲激光雷达( m i c r op u l s el i d a r , m p l ) ，在此基础上又开发了这种光源的差分吸收激光雷达、拉曼散射激光雷达、 多普勒激光雷达和生物激光雷达。1 9 9 4 年到1 9 9 5 年，e s a 进行了l m d 脉冲相 干多普勒激光雷达风速实验，并对册封雷达的性能进行了初步的研究。1 9 9 4 年9 月9 日载有米散射激光雷达的“发现号”航天飞机成功发射，进行了空间激光雷达 海洋大气激光探测中的数字信号处理 的技术实验。l i t e 是人类第一次实现了空基激光雷达对大气的探测，是激光雷 达发展史上具有划时代的里程碑，它开辟了激光雷达大气探测的新纪元。 纵观激光雷达的发展，从功能方面看，大体可分为四个阶段：第一阶段是最 早最简单的测距机；第二阶段的激光雷达主要用于测距和导弹初阶段的跟踪测 量；第三阶段采用了相干检测技术，增加了测速手段；第四阶段是正在发展的扫 描成像和多普勒成像雷达。多普勒雷达可用于风速测量、气象观测、海底声测量、 山谷地形测量等【2 】。 1 。1 2 激光雷达在大气中的应用 激光雷达探测大气的物理基础是激光辐射与大气中分子和气溶胶粒子之间 相互作用产生的各种物理过程。激光在大气介质中传输时，会产生分子和小尺度 大气气溶胶粒子的瑞利( r a y l e i g h ) 散射、大尺度大气气溶胶粒子【3 】的米( m i e ) 散射、非球形粒子的退偏振( d e p o l a r i z a t i o n ) 散射、散射频率发生变化的拉曼 ( r a m a n ) 散射【3 】以及散射强度比分子瑞利散射大好几个数量级的共振荧光 ( r e s o n a n c ef l u o r e s c e n c e ) 散射等多种散射过程【4 棚。此外，大气分子具有波长 范围从红外到紫外，十分丰富的电子光谱吸收带和分子振动、转动光谱吸收带， 波长恰与大气中某些分子吸收谱线重合的激光在大气中传输时将受到分子的强 烈吸收。 利用多普勒技术来测量大气风场的激光雷达称为多普勒激光雷达( d o p p l e r l i d a r ) 9 1 。利用多普勒激光雷达测风，透常有两种方法：一种成为光学外差探测 法或称为相干探测法，它的原理与无线电外差接收的原理相同：另一种方法称为 光谱分析法，由平面或球面法布里一帕罗干涉仪测量散射光的光谱线形，从而确 定其多普勒频移。 大气湍流特性( 包括强度、频谱分布、扩散系数等) 的探测通常是在流场或 温度场中直接测量其起伏，激光技术的出现使实现无干扰的遥感探测成为可能。 利用多普勒激光雷达在测风过程中对径向风速分量的起伏进行分析，可以获得风 速起伏的能谱密度。遥感大气湍流性质的另一条可行途径是用双端激光雷达测量 闪烁方差、互相干函数以及其它光学特征来反演大气湍流折射率结构常数。 2 海洋大气激光探测中的数字信号处理 实际应用过程中，应比较各种技术的优缺点，探索适应探测需求的激光雷达 技术。 科学家们在全球各个国家建立了1 0 0 个地基激光雷达自动监测站，对气溶胶 分布及特性进行更为详尽的实时探测，这个气溶胶自动监测站网络被称为 a e r o n e t 从地表向上空扫描监测，提供有关气溶胶数量、粒子特性及其对太阳 辐射影响的大量信息。每个a e r ( ) n i 玎站点都包含一台自动操纵仪器设备的电 脑，收集并组织数据，通过卫星将结果传送至n a s a 。利用a e r o n e t 数据， 结合许多国家的科学家们在不同地域和飞行器上测量的结果，可以精确地确定气 溶胶对太阳光辐射及其对云的特性的直接或间接影响。 由于大气气溶胶和云的时空分布十分复杂，具有很强的地域性，人们不可能 在全球范围内建立密集的激光雷达观测网，而且在诸如大洋深处、高山及荒无人 烟的沙漠地带根本无法建立密集的激光雷达。因此，星载激光雷达探测装置是科 学家们在全球范围内研究气溶胶影响气候问题的最经济、合理和连续的一种观测 手段。自l i f e 成功地实现了空基激光雷达对大气的探测，n a s a 将研制一系列 星载激光雷达【1 0 - 1 2 1 ，如地球科学激光测高系统g l a s ( g e o s c i e n c el a s e ra l t i m e t e r s y s t e m ) ，云大气气溶胶激光雷达红外探索卫星观测系统c a l i p s o ( c l o u d - a e r o s o l l i d a ra n di n f r a r e dp a t h f i n d e rs a t e l l i t e o b s e r v a t i o n ) ，植物冠层激光雷达 v c l ( v e g e t a t i o nc a n o p yl i d a r ) 等。 各国在研制星载偏振系统米散射激光雷达的同时，积极推进测量全球臭氧、 水汽等大气吸收气体的星载差分吸收激光雷达和测量全球风场的星载多普勒激 光雷达的研制，开展关键技术攻关。可以预料在不久的将来，除星载偏振米散射 激光雷达以外，越来越多其它类型的星载激光雷达将进入地球轨道，进行全球大 气的测量。 目前，国内也正紧跟国际先进的理论和应用成果，积极开展气溶胶的探测研 究，也取得了一定的进展。中国海洋大学多普勒测风激光雷达的研制经历了2 0 年的历史，具有坚实的基础。早在“八五”期间，中国海洋大学在国内率先自主研 制了我国第一套基于碘分子吸收滤波器的非相干测风激光雷达系统，开创了国内 海洋大气激光探测中的数字信号处理 测风激光雷达的先河。 从“九五”开始，中国海洋大学致力于可移动型固体激光多普勒测风雷达系统 的研制。在国家8 6 3 项目、自然科学基金项目的支持下，中国海洋大学研制成功 了我国第一套可移动型固体多普勒测风激光雷达系统【1 3 - 朔。 在2 0 0 2 2 0 0 4 年，在国家8 6 3 信息领域一信息获取与处理技术( 1 3 ) 主题 项目、国家自然科学基金项目等支持下，在系统的稳定性、可靠性、集成性及数 据处理等方面做了研究工作，形成了一套成熟可靠的系统。该系统采用了高精度、 高集成的光学精密机械部件，机械调节和复位精度达到5 微米，体积缩小了三倍。 为进一步研究开发小型车载多普勒测风激光雷达提供了良好的科学与技术保障。 2 0 0 4 年根据气象雷达专家对测风激光雷达提出的技术性能新要求，我们已经初 步研制完成了小型车载多普勒测风激光雷达。该系统具有高集成度、高可靠性、 移动方便可靠的特点，其体积和重量均大大小于国际上现有的车载测风激光雷达 系统。 1 2 激光雷达信号处理的发展概述 信号与信息处理是信息科学中近十几年来发展最为迅速的学科之一。传统的 信号处理有三个基本假设：线性、高斯性和平稳性。平稳信号的分析与处理已广 泛应用于雷达、水声、通信、自动控制、机械振动以及生物工程等许多工程领域。 但实际中的随机信号许多是非平稳的，长期以来都是将它们简化为平稳信号来处 理。而现代信号处理则以非线性、非高斯和非平稳信号作为分析与处理的对象。 在现代信号处理中，非平稳信号处理的发展尤其引入注目【1 鄹。国内外学术界都 将注意力转向到非平稳信号的分析与处理，其中一些分支，如信号的时频表示法 ( 包括小波变换、维格纳分布等) 、时变参数信号模型法已成为当前国内外学术 界研究热点之一。 传统的用于信号处理和信号分析的主要工具是f o u r i e r 分析。f o u r i e r 变换的 作用是将时( 空) 域信号转变成频域信号，在频域上对原信号的频谱进行分析， 以便对原信号进行去噪、平滑和压缩等处理以及信号分解等分析工作。早在6 0 年代末7 0 年代初工程技术人员就发现f o u r i e r 分析在分析信号频谱时的缺陷： 4 海洋大气激光探测中的数字信号处理 f o u r i e r 分析适合从整个时域( 空域) 上分析信号的频谱信息，却不适合分析信 号在局部的频率变化情况。这从f o u r i e r 变换的表达式中不舍时域( 空域) 变量 这一点可以看出。这从f o u r i e r 变换的表达式中不含时域( 空域) 变量这一点可 以看出。为了使f o u r i e r 变换同时也能刻画函数的局部特性，人们引入了窗口 f o u r i e r 变换( 又称短时f o u r i e r 变换) 。 小波分析是为了弥补f o u r i e r 分析的不足而发展起来的一门应用数学学科， 尽管其蓬勃发展于本世纪的八十年代，但其思想方法可以追溯到1 9 1 0 年h a a r 提出的小波规范基及1 9 3 1 1 9 3 7 年l i t t l c w o o d - - p a l a y 对级数建立的l p 理论。 但直接地，却只能追溯到七十年代，那时c a l d e r o n 用其早年发现的再生公式给 出抛物线空间的原子分解，这个公式后来成为许多函数分解的出发点，它的离散 形式已接近小波展开，只是还无法组成一个正交基。1 9 8 1 年，s t r o m b e r g 首先构 造了一个很接近现在称之为小波的基( 它被称为历史上第一个小波基) 。1 9 8 2 年，b a t t l e 在构造量子场论中使用了类似c m d e r o n 再生公式的展开。此后，许多 数学家和工程学家研究了各种分解，形成了一些初步的思想。然而，小波分析的 真正发展起源于八十年代中期。小波分析的真正形成则是由法国科学家m o r l e t g r o s s m a n 在分析研究地震波局部性质时，发现传统的f o u r i e r 分析难以达到要求， 因而引入小波概念于信号分析中对信号进行分解。 继m e y e r d , 波提出之后，b a t t l e 给出具有指数衰减的小波函数。1 9 8 7 年，m a l l a t 将计算机视觉领域内多尺度分析的思想引入小波分析中小波函数的构造并提出 了多尺度分析概念，从而统一了在此之前的s t r o m b e r g 、m e y e r 、l _ e m a r i e 和b a t t l e 等提出的具体小波的构造。m a l l a t 还提出了对小波分析起重要作用的快速算法一 m a l l a t - 算法，并用于图像的分解和重构。1 9 8 7 年底，在法国马赛召开了第一次小 波国际会议，有力地推动了小波分析地发展，1 9 8 8 年，d a u b e c h i e s 构造了具有紧 支集的正交小波基。1 9 8 9 年，g o i f m a n 、m e y e r 和q u a k e 等引入了小波包。1 9 9 0 年，崔锦泰和王建忠构造了基于样条函数的所谓的单正交小波函数。1 9 9 2 年， c o h e r 、d a u b e e h i e s 、f e a u v e a n 提出了具有紧支撑地双正交小波基。至此，小波 分析的系统理论基本形成，从而形成了一门新的应用数学学科。 近年来，小波分析在理论上仍然不断发展。目前，函数空间的刻划、小波构 海洋大气激光探测中的数字信号处理 造、基数插值小波、向量小波、高维小波、多进小波，周期小波等是小波理论的 主要研究方向，这些方向吸引了众多的研究人员，其新的研究成果也不断涌现。 一批小波分析方面的理论和应用专著也相继问世。 在应用上，小波分析的发展更加引人注目。由于其良好的时频局部化特征、 尺度变换特征和方向性特征，因而在众多学科领域取得了广泛的应用。目前，小 波分析在信号处理、非线性分析、数据压缩与编码、遥感、计算机视觉、分形、 模式识别、计算数学、函数空间和奇异积分算子、偏微分方程求解、混沌等学科 领域都得到了良好的应用，并且其应用范围不断扩大，几乎所有的学科领域把小 波分析作为一门重要的工具来处理各自的问题并取得了重要的研究成果。 不可避免的，小波( 标量) 也有它本身固有的缺陷。如在应用领域中，我们 往往希望函数能同时具有正交、紧支、对称、高逼近阶等优良性质。而i d a u b e c h i e s 证明了：除由h a a r d x 波生成的基外，全体紧支正交小波基均不具有对称性。向量 小波( m u l t i w a v e l e t ) 的概念正是为解决普通标量小波的这一不足而引进的。 对一列时间序列数据进行经验模式分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ； e m d ) ，然后对各个分量做希尔伯特变换的信号处理方法，是由美国国家宇航局 的n o r d e ne h t m a g 于1 9 9 8 年首次提出的，称之为希尔伯特黄变换f f m b e r t h u a n gt r a n s f o r m a t i o n ，h h t ) ，该方法被认为是近年来对以傅立叶变换为基础的 线性和稳态谱分析的一个重大突破。由于时间序列的信号经过经验模态分解，分 解成一组本征模函数( i n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ：i m f ) ，每个本征模函数序列都是 单组分的，相当于序列的每一点只有一个瞬时频率，无其他频率组分的叠加。而 不是像傅立叶换把信号分解成正弦或余弦函数，因此，该方法既能对线性稳态信 号进行分析，又能对非线性非稳态信号进行分析。对线性稳态信号的分析技术已 趋于成熟，故对h h t 在非线性非稳态信号分析上的研究成为近年来的研究热点。 虽然目前e m d 方法还存在一些不是很理想的地方，有待改进。但是目前， 该算法已经在很多领域得到应用。由于非平稳信号处理的情况比平稳信号多且广 泛，国际国内对e m d 算法在非平稳信号的研究上都投入了相当的精力。包括： 基于图像熵的i s a r 运动补偿、多尺度边缘提取、消除瞬态散射回波中的噪声、 6 海洋大气激光探测中的数字信号处理 抑制时频交叉项、基于e m d 的小波分析、抑制斑点噪声以及海波分析、机械检 测、湍流、地震等许多非线性研究领域等多个方面。 1 3 论文研究背景及意义 大气风场在现代社会中的作用日益重要，而测风激光雷达已被认同为可以快 速、准确测量大气三维风场的遥感设备。北美、欧洲的发达国家都己开始着手激 光测风雷达的研制。据专家预测，在未来十年，激光雷达将在天气、气象、以及 其它领域发挥前所未有的作用。 测风激光雷达的一个重要应用是数值天气预报。国际上一直积极发展数值天 气预报模型，这些模型的建立很大程度上依赖于初始值的确定。由于风场数据与 大气压力、梯度变化等参数密切相关，因此三维风场数据对于数值预报极为重要。 激光测风雷达可以观测三维风场的垂直剖面，增加数据覆盖率，提高实测风场的 分辨率，有利于实测风场的统计分析和数值天气预报方法的改进。 使用激光测风雷达测量风场有助于行星尺度动力学、天气尺度动力学以及中 小尺度天气系统动力学的研究。例如大尺度锋面和风暴的关系，对流层上下层之 间的相互作用过程，大气边界层结构，热带流场，台风和中纬度龙卷风的形成和 发展，气体、气溶胶在对流层中的传输以及在平流层中的循环和传输过程等等； 可帮助我们理解全球的生物化学过程，分析大气成分，研究大气化学性质。风场 数据还可反映对流层的水汽储量，得出海洋与陆地的水汽交换量等参数，进一步 深入了解水循环过程。 测风激光雷达研究不仅有重要的科学研究意义，也有重要的社会价值和经济 意义。低空风切变是造成航空灾难的主要因素之一，尤其它对飞机起飞和着陆的 危害已被国际航空和气象学界所公认。测风激光雷达可以快速，准确地探测湍流、 风切变等严重影响飞机安全的大气结构，为飞行提供安全保障。同时，多普勒测 风激光雷达还可以提供如大气能见度、云底高度、云的垂直分布、气溶胶性质等 遥感数据。为现有的光学传感器和微波雷达传感器提供数据补充和矫正。 历届成功的奥运赛事都离不开出色的气象保障服务，赛事组织需要高时空分 7 海洋大气激光探测中的数字信号处理 辨率的综合气象探测系统；参赛运动员需要准确、及时、针对性强的短时天气预 报和现场气象服务；观众也需要多元化的应用气象服务。要提供这些高质量、高 水平的气象服务保障，离不开气象科学技术的强力支撑。事实也证明高科技的气 象服务能直接提商有关体育项目的成绩。鉴于气象条件尤其是风速条件对奥运会 帆船比赛的重要性，采用测风激光雷达，配合并补充传统手段测量，进行比赛场 地和开闭幕式场地周围的局部小区域的风速测量，可为奥运气象服务提供高时空 密度的精细气象观测资料，将有效提高气象保障的能力和水平。 1 4 论文主要研究内容 论文主要分为六个部分，第二章详细介绍了激光雷达回波信号的特点以及引 起噪声的原因和处理方法。第三章主要介绍了传统的激光雷达回波信号的处理方 法。包括时间平均技术，脉冲累计，滑动平均，频谱分析以及中值滤波。第四章 和第五章分别介绍了近年来新兴的非线性信号的处理方法：e m d 分解和小波分 析。论文中将他们应用到激光雷达回波信号的降噪处理中，得到了较好的效果， 并且提出小波分析可以提高风速反演精度。第六章则是对激光雷达回波信号进行 系统的分析，最终反演出风场。 s 海洋大气激光探测中的数字信号处理 2 激光雷达信号概述 面向气象服务应用的测风激光雷达系统在测量稳定性和灵活性上的要求大 幅提高。气象应用对于激光雷达的铡量范围、数据精度和时效性都有更为严格的 要求和规范。为使测风激光雷达真正进入气象服务，有必要根据其测量原理和运 行特点，参考微波多普勒天气雷达的运行模式和气象部门对于测风激光雷达的要 求，在与传统测量手段同步对比过程中，完善测量模式，并进一步制定测风激光 雷达的测量规范。 2 1 激光雷达回波信号 系统主要由激光发射系统、望远镜系统、信号接收系统、信号采集、处理及 控制系统组成。我们得到的数据由信号接收系统接收( 见图2 1 ) ，然后经过控制 处理，最后得到精确的风场信息。 期n 聪 图2 1 测风激光雷达接收系统示意图 多普勒测风激光雷达所接收的回波信号是典型的指数衰减信号。随 着距离的增大，噪声不断的增大，接收的能量不断衰减，见图2 2 。 9 海洋大气激光探测中的数字信号处理 l h a r 3 嘧n 叫 2 2 回波信号的噪声 51 01 5 r a n g ep u n ) 图2 2激光雷达回波信号 接收信号中的噪声非常复杂，一般包含背景噪声，电噪声以及大气 扰动噪声等。”。 2 2 1 激光雷达的背景噪声 自然背景噪声主要是由日光、月光等引起的噪声。特别是当系统在白天工作 时，由天空或地面对太阳光的散射所产生的噪声往往成为其决定作用的噪声。太 阳的谱辐射已被广泛研究过，并在很多文献中有所报道。能见度很好的条件下的 海平面测得的典型背景谱辐射的散射成分。白天晴朗的天空，太阳辐射引起的散 射分配到单位立体角、单位波长间隔的功率密度在可见光区域的峰值可以高达 1 0 - 5 w c m - 2 n m - 1s 1 ，在波长在0 7 um 以后出现的很多凹陷主要由大气中的水蒸气 和c 0 2 等对红外辐射的吸收引起，而在接近o 3um 及更短范围的急尉下降则是 地球表面上空臭氧层强烈吸收紫外辐射的结果。 2 2 2 激光后向散射的干扰 激光与物质相互作用时，既可能产生不同类型的散射，也可能诱发荧光，对 以荧光信号为基础的激光雷达，各种类型的散射成为噪声，以散射信号为基础的 激光雷达，则可能受到荧光信号的干扰。无论是激光荧光雷达还是激光i m a i l l o 海洋大气激光探测中的数字信号处理 散射雷达，其探测灵敏度都可能受到激光后向弹性散射的限制。一方面，如果发 射谱选用不当，一部分后向散射返回激光就会伴随有用信号进入探测器。另一方 面，如果雷达设计不够仔细，则短波长激光的近场后向散射有可能在谱分析仪前 的某些光学元件中诱发荧光，或引起探测器的饱和。在有关元件前加针对激光波 长的窄带阻滤波器可以避免上述情况。 2 2 3 光电倍增管的噪声 2 2 3 1 与暗电流有关的噪声 暗电流厶由光阴极热发射产生，经各级放大后在阳极处形成电流并引起噪 声，其性质属于散粒噪声，故噪声电流的均方值可由式2 1 写出为 ( 窖) = 2 e g 2 ( 厶) v ( 2 1 ) 式中毛的下标“c ”表示由阴极发射引起的。除此之外，各打拿级的热发射也 对阳极噪声有类似贡献，这部分散粒噪声电流的均方值为 ( 舀) 劫g 2 ( l ) ( 吉+ 7 1 + - + 争 ( 2 2 ) 当g o1 时，( 弓) * 2 e g 2 ( l ) v g ，于是，由暗电流引起的总散粒噪声电流均方 值为 ( 艺) 地g 2 ( 厶) 珊+ 争 再次用9 01 的条件，得到 ( 嚣) z 2 p g 2 ( l ) 可 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 海洋大气激光探测中的数字信号处理 2 2 3 2 信号噪声 设有频率为屹，功率为见的光信号入射，由此产生的平均阴极电流为 ，：旦d1 s h v s l 3 而在阳极引起的散粒噪声电流均方值为 ( 0 z - 2 p g 2 ( ) 鲈 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 2 3 回波信号噪声处理方法 上文已经讲述了回波信号的噪声种类繁多，对不同种类的噪声其处理方法也 不相同。下面我们就简要的介绍一下各种噪声的处理方法。 1 距离校正。对数据进行距离平方校正，可以看出激光雷达所能探测到的 距离，从接收系统中接收到的所有信号中分辨出有效信号。 2 m t i 法去除物理杂波噪声。m 1 1 是一种在恶劣的电磁环境中采用的抗干 扰信号的处理方法。随着数字技术的发展，使得这一方法并不复杂，其 原理见图2 3 。 图2 3 数字零中频正交双通道m t i 原理方框图 1 2 海洋大气激光探测中的数字信号处理 此方法适用于去除回波信号的背景噪声。在处理背景噪声时也可以从 信号中直接减去背景噪声的直流项，即暗计数。 3 设计滤波器。选取合适的截止频率，消除由接收系统各环节电子器件引 起的高频电噪声。 4 其他信号处理方法。由于回波信号中噪声的复杂性以及要求得到风场的 精确性，我们需要综合运用各种信号处理方法，对接收到的回波信号进 行处理。 海洋大气激光探测中的效字信号处理 3 传统信号处理方法概述 3 1 信号平均技术 实际工作的雷达系统，都是在多个脉冲观测的基础上进行检测的。多个脉 冲积累并平均以后可以有效地提高系统信噪比，从而提高系统的检测精度和灵敏 度。 将n 个等幅相参中频脉冲信号进行相参积累，可以使信噪比( s t 0 提高n 倍。这是因为相邻周期的中频回波信号按严格的相位关系同相相加，因此积累相 加的结果电压可提高n 倍，相应的功率提高n 2 倍，而噪声是随机的，各脉冲内 的噪声满足统计独立条件，积累的效果是平均功率相加而使总噪声功率提高n 倍，这就是说相参积累的结果可以使输出信噪比( 功率) 改善n 倍。脉冲多普勒雷 达中多半采用相参积累。 n 个等幅脉冲信号在包络检波后进行理想积累时，信噪比的改善达不到n 倍圆。这是因为包络检波的非线性作用，信号加噪声通过检波时，还将增加信 号与噪声的相互作用项而影响输出端的信噪比。特别当检波器输入端的信噪比低 时，在检波器输出端信噪比的损失就更大。非相参积累后的信噪比( 功率) 的改善 在n 与万之间，当积累数n 值很大时，信噪功率比的改善趋近于n 。 对于大样本量的回波信号数据集，由于环境等因素的变化，一次性对大量 样本进行平均反而可能带来较大误差。这时有两种可供选择的平均技术，即部分 平均和滑动平均。前者对数据串进行分组平均，比如每组n 个数据，后者则象 一个滑动的窗口，对数据串进行以最新数据代替最老数据的平均。通过这两种方 式的平均以后就可以获得某些关键参数的变化情况。 滑动平均滤波器有下列方程定义( 2 6 】 刷= 六差枷纠 1 4 ( 3 1 ) 海洋大气激光探测中的数字信号处理 式中：科川为疗时刻的输入序列；y n 】为疗时刻的输出序列。 由上式可知，平均滤波器的单位脉冲响应是 l1 研甩】= m + 1 ，0 s 拧膨 【o ，其它 ( 3 2 ) 也就是说滑动平均滤波器第栉时刻输出序列是将输入序列在第九时刻前的 吖+ 1 个采样值取平均求得的。 3 1 。 我们以激光雷达远距离回波信号为例，来说明信号平均的降噪效果，见图 漩光雷达远距膏信号精动平均处理结果 一原始信号 ! 一滑动平均处理后信号e ： 髓 t ， 豫r n 嘲 i粤 钨冁 黼鬻剿 琊 _ 越i 节 。# 。肆 图3 1 激光雷达远距离信号滑动平均处理结果 3 ，2 回波信号的频谱分析 接受系统中得到的回波信号是离散的，为了对其进行分析降噪，需要对回波 信号进行频谱分析，从而确定有用信号和噪声。 1 5 海洋大气激光探测中的数字信号处理 3 2 1 离散傅立叶变换 其中 时问离散序列x 倒的傅立叶变换序列m j 可定义为鲫 - 1 石( j ) = x ( 片) 时( | | = o ，1 ，n - 1 ) n o 离散傅立叶反变换( 1 0 f t ) 可定义为 1 1 删2 专荟琊) 咿( 肛蜘舻1 ) w n = f 趣w 工( j ) = d t f t x ( n ) 】x ( 栉) = i d t f t x ( k ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 所谓信号的频谱分析，也就是应用傅立叶分析的方法，求出与信号时域波形 相对应的频率函数，从中找到描述该信号频谱结构的变化规律，已达到特征提取 的目的，如频带宽度、幅度、相位、以及能量、功率等随频率变化的分布规律。 对信号进行傅立叶变换的具体流程如下： 1 ) 对原始信号进行傅立叶变换，求出其频率。 2 ) 根据频谱，对比我们所关心的频谱成分，对不需要的频谱成分进行抑制。 3 ) 对变换后的频谱做傅立叶逆变换，得到降噪后的信号。 3 2 2 激光雷达回波信号的频谱分析 激光雷达接收的远距离回波信号噪声较大，我们按照以上介绍的傅立叶变换 的步骤对远距离回波信号进行处理。回波信号见图( 3 2 ) ，探测距离8 k m - - 1 6 k r n 。 1 6 海洋大气激光探铡中的数字信号处理 远砸鼻雷号 k 。 蝴 粝赢 i ： 1 1 ii i 削 一。掣 懈蝴懒 i o1 21 41 6 图3 2 激光雷达远距离回波信号 对激光雷达远距离信号进行傅立叶变换，求出其频率，见图3 3 。 远距离回波信号的频谱 l o 2 0 4 0 6 08 0 1 0 01 2 0 频率m z 图3 3 远距离回波信号的频谱 从图中我们可以看出，信号的能量主要集中在低频部分，在5 h z 以后迅速 衰减，2 0 i - i z 以后就几乎没有能量了。这样就可以做一个简单的低通滤波器，使 用不同宽度的低通滤波器进行滤波，其结果见图3 4 。 1 7 啮 懈 啦 | 耋 叫 嘶 。 嘶 海洋大气激光探测中的数字信号处理 远距离回被信号 篓 一q + t q 81 2 1 6 【 哆| _ n - 、 3 3 中值滤波 图3 4 在频域使用低通滤波器对信号降噪的结果 常规的中值滤波算法s m ( s t a n d a r dm e d i a nf i l t e r ) 主要依赖于快速排序算法， 其基本思想是：在要排序的元素集合中任意选取一个元素( 通常可选第1 个元素) ， 并将它与其他元素进行比较，将所有比这个元素小的元素都放在它之前，将所有 比它大的元素放在它之后。经过一次排序之后，可按该元素所在的位置分界，将 集合分成两个部分。然后对剩下的这两个部分重复上述过程进行排序，直到每一 部分只剩下一个元素为止。当所有排序完成后，取排序后的集合中位于中间位置 的元素的值( a o 所谓的中值) 作为输出值。 中值滤波是一种非线性信号处理方法。它是用一个有奇数点的滑动窗口，将 窗口中心点的值用窗口内各点的中间值来代替口虮。一维中值滤波可以用下式表 示： 哪l圣嗽l耋州|曼o l 曼 海洋大气激光探测中的数字信号处理 咒= m e d f , 式中，a 为窗口，f f i 为一维数据序列。 由于对风场反演的速度要求较高，我们就需要在每一个处理环节上都要提高 运行速度。本文中我们介绍一种均值加速的快速中值滤波算法。中值滤波是一种 排序滤波器网，其算法的关键在于寻找排序后滤波子窗的像素中间值。因此对 中值滤波而言，只要能快速找到滤波子窗的像素中间值即可，并不要求对所有元 素进行排序。因此，我们希望突破对所有元素进行快速排序的限制，寻找一种快 速得到中值的算法。在这一思路的指导下，提出了均值加速的快速中值滤波算法 mf m ( m e a n - - b a s e df a s tm e d i a nf i l t e r ) o mf m 算法的基本原理是：在滤波子窗的元素集合中首先计算该集合中所有 元素值的平均值，以该均值为界将集合分成元素值大于或等于均值的元素集合以 及小于均值的元素集合，并计算两个集合中的元素个数，舍弃元素个数少的集合， 而只对元素个数大于滤波子窗的总元素个数一半的集合重复上述过程，直到分解 的两个集合的元素个数都小于滤波子窗的总元素个数的一半。最后对所得到的两 个子集合之一进行快速排序，得至整个滤波子窗元素集合的中间值。对于m x m ( m 为奇数) 的滤波子窗，设参加排序的像素个数为n 。 中值滤波的窗口尺寸的选择对滤波效果影响较大。如果选择过小，可能起不 到去除噪声的作用，如果选择过大，可能对有用信号造成影响。窗口尺寸一般先 用3 再用7 逐点增加，直到其滤波效果满意为止。针对本文，激光雷达回波信号随 距离的增大噪声不断增大，所以在选择窗口尺寸的时候是逐渐增大。处理结果见 图3 6 。 1 9 海洋大气激光探测中的数字信号处理 图3 6 中值滤波分段处理结果 海洋大气激光探测中的数字信号处理 4 e m d 算法在激光雷达信号处理中的应用 4 1 引言 对一列时间序列数据进行经验模式分解( e m p i r i c a lm o d ed c c o m p o s i t i o m e m d ) ，然后对各个分量做希尔伯特变换的信号处理方法，是由美国国家宇航局 的n o r d e ne h u a n g 于1 9