1 550 nm相干激光測風(fēng)雷達(dá)微弱回波信號(hào)處理

李寶林，楊 冬，王 露，張 毅，申向偉，曾祥豹，王音心(中電科技集團(tuán) 重慶聲光電有限公司，重慶 401332)

0 引言

激光測風(fēng)雷達(dá)能夠測量儀器前方10 km遠(yuǎn)處的三維風(fēng)場信息(包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)切變、湍流等)，使風(fēng)機(jī)提前停機(jī)，以規(guī)避大風(fēng)、湍流等；以及提前使民航飛機(jī)、無人機(jī)規(guī)避風(fēng)切變的不利影響，減少財(cái)產(chǎn)和生命的損失。其主要應(yīng)用于風(fēng)電、民航機(jī)場、無人機(jī)及軍用無人機(jī)機(jī)場等領(lǐng)域。

本文研究的激光測風(fēng)雷達(dá)采用1 550 nm波長脈沖激光器[1-2]，脈沖激光具有脈沖寬度窄,峰值功率高及相干性高等特點(diǎn)，激光器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過大氣中氣溶膠后向散射[3-4]，返回到平衡探測器，信號(hào)處理電路對(duì)微弱回波信號(hào)進(jìn)行模擬和數(shù)字處理后，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)速遠(yuǎn)距離高精度測量。大氣中氣溶膠是由懸浮在空氣中的固態(tài)或液態(tài)顆粒所組成的氣態(tài)分散系統(tǒng)，氣溶膠顆粒大小為0.01～10 μm[5]，在中國區(qū)域內(nèi)，氣溶膠質(zhì)量濃度為0.15～122 μg/m3，區(qū)域間差別巨大。

激光測風(fēng)雷達(dá)的回波信號(hào)輸入功率約為-80 dBm，信號(hào)微弱，需對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行模擬和數(shù)字處理，以提高回波信號(hào)的信噪比，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的精確測量[6-7]。本文采用的模擬信號(hào)處理方法是對(duì)相干激光回波信號(hào)進(jìn)行中頻放大，數(shù)字信號(hào)處理方法是補(bǔ)零快速傅里葉變換(FFT)和FFT頻譜累計(jì)，通過這些方法處理后可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光測風(fēng)雷達(dá)微弱回波信號(hào)中風(fēng)速的正確拾取。

1 激光測風(fēng)雷達(dá)微弱信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式

1 550 nm波長光纖激光器發(fā)射的本振光與聲光調(diào)制器移頻后的光信號(hào)進(jìn)行干涉，干涉光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后得到的電信號(hào)為

U(x,y,z)=A(x,y,z)cos[2πft+φ(x,y,z)]

(1)

式中：U(x,y,z)為干涉光光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào);A(x,y,z)為電信號(hào)振幅;f為聲光調(diào)制器移頻頻率;φ(x,y,z)為電信號(hào)相位。

干涉光經(jīng)過光學(xué)鏡頭發(fā)射，遇到前方空氣中氣溶膠會(huì)形成反射光信號(hào)，反射光信號(hào)經(jīng)過環(huán)形器、耦合器和平衡探測器后，轉(zhuǎn)換成回波信號(hào)的電信號(hào)為

U′(x,y,z)=A′(x,y,z)cos[2π(f+Δf)t+

φ′(x,y,z)]

(2)

式中：U′(x,y,z)為干涉光光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)；A′(x,y,z)為電信號(hào)振幅；Δf為空氣中沿著激光發(fā)射光學(xué)鏡頭方向的風(fēng)吹動(dòng)氣溶膠運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒頻移；φ′(x,y,z)為電信號(hào)相位。

當(dāng)φ′(x,y,z)=φ(x,y,z)時(shí)，回波信號(hào)為相干信號(hào)，此時(shí)回波信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)。當(dāng)φ′(x,y,z)≠φ(x,y,z)時(shí)，回波信號(hào)為非相干信號(hào)，此時(shí)回波信號(hào)強(qiáng)度較弱。但即使回波信號(hào)為相干信號(hào)，氣溶膠反射的回波信號(hào)也較弱，經(jīng)過平衡探測器轉(zhuǎn)換后回波信號(hào)輸入功率約為-80 dBm，如圖1所示。因此需對(duì)微弱的回波信號(hào)進(jìn)行模擬中頻放大，以及對(duì) FFT頻譜累積等模擬數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)多普勒頻移信息的提取。

圖1 未處理的回波輸入信號(hào)圖

2 激光測風(fēng)雷達(dá)微弱信號(hào)模擬處理方法

激光測風(fēng)雷達(dá)微弱回波信號(hào)頻率為0～160 MHz，選用單片微波放大器SGA3586，在0～160 MHz內(nèi)小信號(hào)增益為25 dB，每級(jí)微波放大電路如圖2所示。采用兩級(jí)微波放大電路串聯(lián)方式，可將輸入-80 dBm的回波信號(hào)放大為-30 dBm，放大后信號(hào)效果如圖3所示。微波放大電路會(huì)將信號(hào)和噪聲同時(shí)放大，不能提高回波信號(hào)的信噪比，故經(jīng)試驗(yàn)效果后選取兩級(jí)微波放大。經(jīng)過兩級(jí)微波放大后，回波信號(hào)直接進(jìn)行FFT變換，但仍無法分辨出風(fēng)速對(duì)應(yīng)的多普勒頻移，如圖4所示。

圖2 輸入信號(hào)微波放大電路

圖3 兩級(jí)微波放大后的輸入信號(hào)

圖4 兩級(jí)微波放大后單次回波信號(hào)FFT變換

信噪比ESNR為回波有效信號(hào)幅值A(chǔ)s與噪聲信號(hào)幅值A(chǔ)n之比[8-9]：

(3)

3 激光測風(fēng)雷達(dá)信號(hào)處理時(shí)序

激光測風(fēng)雷達(dá)信號(hào)處理時(shí)序如圖5所示。激光發(fā)射采用脈沖發(fā)射方式，以提高激光發(fā)射的瞬時(shí)功率，激光發(fā)射脈沖寬度設(shè)置為600 ns，回波信號(hào)為激光接收中對(duì)應(yīng)距離門(表示采集激光測風(fēng)雷達(dá)回波信號(hào)的時(shí)間范圍)600 ns的數(shù)據(jù)，激光測風(fēng)雷達(dá)要計(jì)算不同距離處的風(fēng)速信息，需計(jì)算對(duì)應(yīng)不同距離門600 ns數(shù)據(jù)的頻譜信息。

圖5 激光測風(fēng)雷達(dá)信號(hào)處理每周期時(shí)序圖

激光測風(fēng)雷達(dá)激光發(fā)射脈沖周期為0.000 1 s，每個(gè)周期中包含不同距離門的回波信號(hào)，為了提高信噪比，需對(duì)不同周期的相同距離門頻譜信息進(jìn)行累積，累積時(shí)序如圖6所示。

圖6 頻譜累積時(shí)序圖

4 激光測風(fēng)雷達(dá)微弱信號(hào)數(shù)字處理方法

4.1 補(bǔ)零FFT變換

激光測風(fēng)雷達(dá)的Doppler頻移大小與徑向風(fēng)速間[6-9]的關(guān)系為

(4)

式中：λ0為激光波長；v為徑向風(fēng)速；fD為多普勒頻移；f0為激光頻率。

風(fēng)速測量精度0.1 m/s對(duì)應(yīng)的多普勒頻移為

(5)

如果要達(dá)到0.1 m/s的測風(fēng)精度，F(xiàn)FT變換點(diǎn)數(shù)設(shè)置為N，需要滿足：

(6)

由式(6)計(jì)算可知，要達(dá)到0.1 m/s的測風(fēng)精度，F(xiàn)FT變換點(diǎn)數(shù)需滿足N≥2 326。選取FFT變換點(diǎn)數(shù)為4 096。

激光測風(fēng)雷達(dá)輸入信號(hào)帶寬為160 MHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣頻率fs=400 MHz，激光發(fā)射脈沖寬度為600 ns，回波信號(hào)對(duì)應(yīng)也是600 ns，在有效回波信號(hào)時(shí)間段內(nèi)400 MHz采樣只能采集240個(gè)點(diǎn)。因此，每個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)需補(bǔ)充3 856個(gè)零數(shù)據(jù)點(diǎn)。

用信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)80 MHz、-50 dBm的信號(hào)(見圖7)給信號(hào)處理板微波放大前端，信號(hào)處理板采集每個(gè)周期240個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)加上3 856個(gè)補(bǔ)零數(shù)據(jù)，進(jìn)行4 096點(diǎn)FFT變換結(jié)果為峰值頻率是79.98 MHz(見圖8)，誤差0.02 MHz，滿足0.1 m/s測風(fēng)精度要求。

圖7 信號(hào)源輸入數(shù)據(jù)加補(bǔ)零數(shù)據(jù)圖

圖8 補(bǔ)零FFT變換結(jié)果

4.2 FFT頻譜累積

用信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)80 MHz、-80 dBm的信號(hào)給信號(hào)處理板，經(jīng)過微波放大再進(jìn)入ADC，每個(gè)周期進(jìn)行補(bǔ)零FFT變換，結(jié)果如圖9所示。這個(gè)微弱信號(hào)FFT變換還是無法分辨出有用信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，通過FFT的頻譜累積提高信噪比，設(shè)置FFT頻譜累積次數(shù)為10 000次，累積結(jié)果如圖10所示。累積后幅值最大的頻率是79.98 MHz，與信號(hào)源間的頻率差為0.02 MHz，優(yōu)于0.129 MHz。由此，通過FFT頻譜累積，提高了微弱信號(hào)的信噪比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微弱信號(hào)的頻譜拾取。

圖9 80 MHz、-80 dBm信號(hào)單周期補(bǔ)零FFT結(jié)果

圖10 80 MHz、-80 dBm信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)微波放大

對(duì)上述信號(hào)源微弱信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證后，在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)內(nèi)進(jìn)行了頻譜累積仿真試驗(yàn)，仿真單次幅值是401F75C2CD(十六進(jìn)制)，經(jīng)過4次累積后累積幅值為1007DD70B34(十六進(jìn)制)，說明FPGA實(shí)現(xiàn)了頻譜累積運(yùn)算正確。FPGA頻譜累積時(shí)序如圖11所示。單次FFT變換結(jié)果如圖12所示。頻譜累積4次后結(jié)果如圖13所示。

圖11 FPGA頻譜累積時(shí)序

圖12 FPGA單次FFT變換結(jié)果

圖13 FPGA頻譜累積4次結(jié)果

5 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文研究的激光測風(fēng)雷達(dá)微弱信號(hào)處理方法的有效性，將信號(hào)處理電路連入整個(gè)激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中進(jìn)行了在線試驗(yàn)驗(yàn)證。激光測風(fēng)雷達(dá)在信號(hào)處理電路上在線測試結(jié)果如圖14所示。某標(biāo)準(zhǔn)測風(fēng)設(shè)備測試結(jié)果如圖15所示。

圖14 激光測風(fēng)雷達(dá)在信號(hào)處理板在線測試結(jié)果

圖15 某標(biāo)準(zhǔn)測風(fēng)設(shè)備測試結(jié)果

由圖14可看出，設(shè)置的距離門為100 m，測試風(fēng)速結(jié)果為-4.22 m/s。由圖15可看出，標(biāo)準(zhǔn)測風(fēng)設(shè)備中距離門為100 m的數(shù)據(jù)，測試結(jié)果風(fēng)速為-4.28 m/s，誤差為0.06 m/s。

針對(duì)不同距離門分別進(jìn)行風(fēng)速測量，測量結(jié)果如表1所示。由表可看出,每個(gè)距離門的風(fēng)速誤差均優(yōu)于0.1 m/s。

表1 不同距離門風(fēng)速測量結(jié)果

6 結(jié)束語

本文針對(duì)激光測風(fēng)雷達(dá)回波信號(hào)微弱問題，采取了模擬和數(shù)字信號(hào)處理方式，在0～2 km內(nèi)進(jìn)行了風(fēng)速測試試驗(yàn)，測得風(fēng)速精度優(yōu)于0.1 m/s。

本文采取兩級(jí)模擬中頻放大，雖然串聯(lián)多級(jí)中頻放大可將微弱回波信號(hào)放大，但由于信噪比未提高，微波放大級(jí)數(shù)并不是越多越好，因而選取合適的放大增益，并通過補(bǔ)零FFT和FFT頻譜累積提高信噪比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光測風(fēng)雷達(dá)微弱回波信號(hào)多普勒頻移信息的準(zhǔn)確拾取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法達(dá)到了預(yù)期效果。