【摘 要】
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相干多普勒测风激光雷达凭借其出色的系统性能被广泛应用于航空航天安全、风能发电、气象预报以及国防军事等领域。相干测风激光雷达是基于多普勒效应实现风速测量的,因此多普勒频移的估计精度直接决定了测风激光雷达系统的性能。为了满足生产生活中对风速高精度测量的要求,可工程实现的多普勒频移估计技术的研究成为人们关注的重点。本文以提高相干测风激光雷达风速测量精度为研究目标,针对回波信号受噪声干扰严重、信噪比低以及
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相干多普勒测风激光雷达凭借其出色的系统性能被广泛应用于航空航天安全、风能发电、气象预报以及国防军事等领域。相干测风激光雷达是基于多普勒效应实现风速测量的,因此多普勒频移的估计精度直接决定了测风激光雷达系统的性能。为了满足生产生活中对风速高精度测量的要求,可工程实现的多普勒频移估计技术的研究成为人们关注的重点。本文以提高相干测风激光雷达风速测量精度为研究目标,针对回波信号受噪声干扰严重、信噪比低以及多普勒频移估计理论算法的工程硬件实现等问题,通过对多普勒频移估计理论及算法的研究,采用了结合自相关检测、Welch功率谱估计和能量重心校正的频率估计的综合算法并完成其硬件实现,并通过仿真分析及实验验证了该算法的有效性。本文主要研究内容如下:（1）研究了激光雷达测风的基本工作原理以及相干探测的实现方法;结合激光雷达方程分析了雷达系统中的噪声来源;提出了相干多普勒测风激光雷达的主要性能参数,并对其影响因素进行了分析。（2）研究了常用的多普勒频移估计算法性能,通过对其性能的分析,论文采用结合自相关检测、Welch功率谱估计和能量重心校正的多普勒频移估计综合算法,并通过Matlab仿真对算法的有效性进行了验证。（3）基于FPGA硬件平台,采用Verilog HDL语言分别实现了自相关检测模块、Welch功率谱模块和能量重心校正模块的硬件设计,并完成了综合算法方案的FPGA实现,通过Vivado功能仿真验证了综合算法的有效性。（4）基于理论研究完成了连续波调制相干多普勒测风激光雷达系统设计,搭建了测风激光雷达实验系统进行实验验证。实验结果表明:本文实验条件下,在20m的距离范围,风速测量误差为0.27m/s。
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