二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法及系统

技术领域

本发明属于激光雷达测风技术领域，涉及一种二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法及系统。

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，包括风切变和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、环境监测和重要武器发射保障等方面都具有重要应用需求。而当前测风的主要手段包括微波气象雷达、测风激光雷达以及探空气球等，其中测风激光雷达受益于激光的高单色性、高相干性及高方向性有望实现最高的风场距离分辨率，解决复杂风场的精细探测问题。

测风激光雷达的主要原理是发射的激光载波与待测大气区域的空气中气溶胶粒子相互作用后发生多普勒频移，通过频谱分析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。然而，在实现本发明的过程中，发明人发现目前传统的测风激光雷达所使用的测量方法，仍难以满足远距离复杂风场精细探测的现实需求。

发明内容

针对上述传统方法中存在的问题，本发明提出了一种二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法以及一种测风激光雷达系统，能够满足远距离复杂风场精细探测的现实需求。

为了实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

一方面，提供一种二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法，包括步骤：

根据二元脉冲幅度编码矩阵对单频连续激光进行二元脉冲幅度编码调制，得到二元脉冲幅度编码信号；二元脉冲幅度编码矩阵为对角元素为0、其余元素为1、行数和列数相等的矩阵；

将二元脉冲幅度编码信号经光放大器放大后，通过环形器传输至光学天线并向待测大气区域发射；

接收待测大气区域的回波信号后，确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵；

根据解码矩阵对回波脉冲序列进行解码处理，得到不同延时的功率谱；

对不同延时的功率谱进行对齐并累加平均处理，得到回波功率谱；

根据回波功率谱和单频连续激光的频率计算得到待测大气区域的大气风速。

在其中一个实施例中，确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵的过程，包括：

根据回波信号中回波脉冲的码元强度确定解码矩阵；若码元强度为0，则解码矩阵中对应的元素记为-1，若码元强度为1，则解码矩阵中对应的元素记为1。

在其中一个实施例中，解码处理的解码公式为：

；

其中，

另一方面，还提供一种测风激光雷达系统，包括：

单频连续激光器，用于产生单频连续激光；

第一光纤分束器，用于将单频连续激光分束为本征参考光和信号光；

光脉冲调制器，用于对信号光进行调制输出；

信号发生器，用于产生编码脉冲信号至光脉冲调制器，控制光脉冲调制器根据二元脉冲幅度编码矩阵对信号光进行二元脉冲幅度编码调制，得到二元脉冲幅度编码信号；

环形器，用于将二元脉冲幅度编码信号传输至光学天线以及用于回传光学天线接收的回波信号；

光学天线，用于将二元脉冲幅度编码信号向待测大气区域发射并接收待测大气区域的回波信号；

第二光纤分束器，用于将本征参考光及回波信号合束；

平衡探测器，用于合束并同时输入的本征参考光及回波信号以平方律检波的方式进行光电转换处理；

数字采集处理器，用于对平衡探测器输出的电信号进行采集，确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵，根据解码矩阵对回波脉冲序列进行解码处理，得到不同延时的功率谱后，对不同延时的功率谱进行对齐并累加平均处理，得到回波功率谱，根据回波功率谱和单频连续激光的频率计算得到待测大气区域的大气风速。

在其中一个实施例中，数字采集处理器根据回波信号中回波脉冲的码元强度确定解码矩阵；若码元强度为0，则解码矩阵中对应的元素记为-1，若码元强度为1，则解码矩阵中对应的元素记为1。

在其中一个实施例中，解码处理的解码公式为：

；

其中，

在其中一个实施例中，光脉冲调制器包括声光调制器和/或电光调制器。

在其中一个实施例中，信号发生器包括任意波形发生器、晶体管逻辑电平信号发生器或射频信号发生器。

在其中一个实施例中，测风激光雷达系统还包括光放大器，光放大器用于将二元脉冲幅度编码信号放大后输入环形器。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

上述二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法及系统，通过利用二元脉冲幅度编码实现单次脉冲发射至待测大气区域后获得多个位置的回波后，其中每个回波的距离分辨率对应单个码元宽度，再通过解码算出单个位置的回波，通过对齐回波位置或延迟回波时间后再累加，即可实现单个位置的多次测量，增强单个位置的测量次数，也即增强了信噪比并且在不影响距离分辨率的基础上实现了输出功率的提高。减小码元宽度可以提高距离分辨率，而编码序列中码元数量增加又可以增大发射能量，增强信噪比，扩大探测范围，能够很好地满足远距离复杂风场精细探测的现实需求，为复杂风场的精细探测提供了新的有效技术手段。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法的流程示意图；

图2为一个实施例中基于编码脉冲进行大气探测的原理示意图；

图3为一个实施例中基于二元脉冲幅度编码的编码脉冲示意图；

图4为一个实施例中测风激光雷达系统的结构示意图；

图5为另一个实施例中测风激光雷达系统的结构示意图；

图6为一个实施例中二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法的应用流程示意图；

图7为一个实施例中基于二元脉冲幅度编码的测风激光雷达系统与非编码脉冲测风激光雷达得到的速度-距离探测结果对比示意图。

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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置展示该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。

本领域技术人员可以理解，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

当前的测风激光雷达一般采用脉冲体制，结合飞行时间法判断探测距离，其距离分辨率为：

；

其中，

因此脉宽越窄，可发射的单脉冲能量越小，回波的能量也越低，信噪比越低，探测范围越小。而且由于测风激光雷达的最大探测距离为：

可见，传统的测风激光雷达受限于脉冲峰值功率的限制，无法兼顾高距离分辨率和远探测距离，也就无法满足远距离复杂风场精细探测的需求。为此，本申请提供了一种新的技术方案，设计原理是发射一组二元编码脉冲序列，以实现单次脉冲发射获得多个位置的回波，再对回波解码提取出单个位置的回波，兼顾了激光雷达的高距离分辨率与大功率输出，能够解决传统单频激光雷达距离分辨和输出功率无法兼顾的问题，在增加脉宽的同时提高输出功率但不降低距离分辨率。

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施方式进行详细说明。

请参阅图1，在一个实施例中，本申请实施例提供了一种二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法，包括如下处理步骤S12至S22：

S12，根据二元脉冲幅度编码矩阵对单频连续激光进行二元脉冲幅度编码调制，得到二元脉冲幅度编码信号；二元脉冲幅度编码矩阵为对角元素为0、其余元素为1、行数和列数相等的矩阵；

S14，将二元脉冲幅度编码信号经光放大器放大后，通过环形器传输至光学天线并向待测大气区域发射；

S16，接收待测大气区域的回波信号后，确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵；

S18，根据解码矩阵对回波脉冲序列进行解码处理，得到不同延时的功率谱；

S20，对不同延时的功率谱进行对齐并累加平均处理，得到回波功率谱；

S22，根据回波功率谱和单频连续激光的频率计算得到待测大气区域的大气风速。

可以理解，如图2和图3所示，分别为基于二元脉冲幅度编码的编码脉冲示意图和该编码脉冲进行大气探测的原理图，在实际应用中，可以通过激光调制器对单频连续激光进行二元脉冲幅度编码调制，调制过程中使用的二元脉冲幅度编码矩阵可以表示为：

；

二元脉冲幅度编码矩阵是一个对角元素为0，其余元素为1，行数和列数相等的矩阵。其中，码元0和1表示信号的有无，即码元0表示信号（单频连续激光）被斩断强度为0，码元1表示有信号强度不为0。其中，

具体的，假设

将调制后输出的二元脉冲幅度编码信号经过光放大器放大、环形器传输至光学天线发射到大气中的待测大气区域，并对待测大气区域的回波信号进行接收，对所接收的回波信号进行解码处理。

解码处理过程可以为：先将采集到的回波信号中的回波脉冲按照编码序列分组，即属于二元脉冲幅度编码矩阵

上述二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法，通过利用二元脉冲幅度编码实现单次脉冲发射至待测大气区域后获得多个位置的回波后，其中每个回波的距离分辨率对应单个码元宽度，再通过解码算出单个位置的回波，通过对齐回波位置或延迟回波时间后再累加，即可实现单个位置的多次测量，增强单个位置的测量次数，也即增强了信噪比并且在不影响距离分辨率的基础上实现了输出功率的提高。减小码元宽度可以提高距离分辨率，而编码序列中码元数量增加又可以增大发射能量，增强信噪比，扩大探测范围，能够很好地满足远距离复杂风场精细探测的现实需求，为复杂风场的精细探测提供了新的有效技术手段。

在一个实施例中，进一步的，关于上述的步骤S16中确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵的过程，具体可以包括如下处理步骤：

根据回波信号中回波脉冲的码元强度确定解码矩阵；若码元强度为0，则解码矩阵中对应的元素记为-1，若码元强度为1，则解码矩阵中对应的元素记为1。

可以理解，解码矩阵的确定只需要根据回波脉冲的形状即可，这是因为编码矩阵已知且固定，只要通过回波脉冲的形状直接判断出收集的第一个回波脉冲对应编码序列的第几个，即可直接写出解码矩阵，实现解码矩阵的高效且准确获取。如图3所示，以4个码元的编码序列为例（其他码元长度的编码序列同理理解），回波脉冲中（解码前的编码脉冲）的4个码元，第一个码元的码元强度为零、其后码元的码元强度为1，则其编码序列就写为0111。在解码时则是类似的，回波脉冲中哪一个码元所在位置处其码元强度为0，则解码序列中相应位置写成-1，其余码元强度为1的码元则均写成1，因此编码序列为0111的，在解码时就可以写成-1111，如此即可确定解码矩阵中各相应元素对应的取值，从而确定解码矩阵。前述过程也称根据回波脉冲的形状写出解码矩阵的过程，其他码元长度的编码序列情形可同理理解。

在一个实施例中，进一步的，解码处理的解码公式为：

；

其中，

具体的，假设获得的解码矩阵为：

；

需要说明的是，此处列举的解码矩阵示例中，起始第一行为

在解码后，可以将解码后不同延时的功率谱进行对齐并累加平均。具体的，将解码后获得的不同延时的功率谱：

；

分别延时

应该理解的是，虽然图1流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且图1的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

请参阅图4，在一个实施例中，提供一种测风激光雷达系统100，包括单频连续激光器11、第一光纤分束器12、光脉冲调制器13、信号发生器14、环形器15、光学天线16、第二光纤分束器17、平衡探测器18和数字采集处理器19。其中，单频连续激光器11用于产生单频连续激光。第一光纤分束器12用于将单频连续激光分束为本征参考光和信号光。光脉冲调制器13用于对信号光进行调制输出。信号发生器14用于产生编码脉冲信号至光脉冲调制器，控制光脉冲调制器根据二元脉冲幅度编码矩阵对信号光进行二元脉冲幅度编码调制，得到二元脉冲幅度编码信号。环形器15用于将二元脉冲幅度编码信号传输至光学天线以及用于回传光学天线接收的回波信号。光学天线16用于将二元脉冲幅度编码信号向待测大气区域发射并接收待测大气区域的回波信号。

第二光纤分束器17用于将本征参考光及回波信号合束。平衡探测器18用于合束并同时输入的本征参考光及回波信号以平方律检波的方式进行光电转换处理。数字采集处理器19用于对平衡探测器输出的电信号进行采集，确定回波信号中回波脉冲序列的解码矩阵，根据解码矩阵对回波脉冲序列进行解码处理，得到不同延时的功率谱后，对不同延时的功率谱进行对齐并累加平均处理，得到回波功率谱，根据回波功率谱和单频连续激光的频率计算得到待测大气区域的大气风速。

可以理解，上述测风激光雷达系统100中的各部件均可以采用本领域既有的相应部件来搭建该系统，其中，光脉冲调制器13和信号发生器14改为使用上述二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法中的二元脉冲幅度编码调制方式对单频连续激光进行调制输出。而数字采集处理器19则相应地采用上述二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法中的解码处理方式进行解码和计算处理。

上述测风激光雷达系统100，通过利用二元脉冲幅度编码实现单次脉冲发射至待测大气区域后获得多个位置的回波后，其中每个回波的距离分辨率对应单个码元宽度，再通过解码算出单个位置的回波，通过对齐回波位置或延迟回波时间后再累加，即可实现单个位置的多次测量，增强单个位置的测量次数，也即增强了信噪比并且在不影响距离分辨率的基础上实现了输出功率的提高。减小码元宽度可以提高距离分辨率，而编码序列中码元数量增加又可以增大发射能量，增强信噪比，扩大探测范围，能够很好地满足远距离复杂风场精细探测的现实需求，为复杂风场的精细探测提供了新的有效技术手段。

在一个实施例中，进一步的，数字采集处理器19根据回波信号中回波脉冲的码元强度确定解码矩阵；若码元强度为0，则解码矩阵中对应的元素记为-1，若码元强度为1，则解码矩阵中对应的元素记为1。

在一个实施例中，进一步的，解码处理的解码公式为：

；

其中，

在一个实施例中，进一步的，测风激光雷达系统100还包括光放大器20，光放大器20用于将二元脉冲幅度编码信号放大后输入环形器15。

可以理解，在本实施例中，还可以采用光放大器20对二元脉冲幅度编码信号放大后再输出下级单元，从而提高探测能力。具体的，如图5所示，单频连续激光器11的输出端与第一光纤分束器12的输入端连接，第一光纤分束器12将单频连续激光分成两路，其中第一光纤分束器12的第一输出端A1输出信号光，第一光纤分束器12的第二输出端B1输出本征参考光。

第一光纤分束器12的第一输出端A1与光脉冲调制器13的输入端连接，第一光纤分束器12的第二输出端B1和第二光纤分束器17的第一输入端B3连接。信号发生器14的输出端与光脉冲调制器13的驱动信号输入端相连，光脉冲调制器13的输出端和光放大器20的输入端连接，光放大器20的输出端和环形器15的第一输出端A2连接，环形器15的第一输出端A3和光学天线18的输入端连接，光学天线16出射的光束照在待测大气区域中的目标上，目标的后向散射回波经过光学天线16收集，再回到环形器15的第一输出端A3，在环形器15内部传输到第二输出端A4和第二光纤分束器17的第二输入端B2连接。第二光纤分束器17的输出端和平衡探测器18的输入端连接，平衡探测器18的输出端和数字采集处理器19的输入端连接。待测大气区域中的目标为流体粒子。

在一个实施例中，进一步的，光脉冲调制器13包括声光调制器和/或电光调制器。可以理解，本实施例中，光脉冲调制器13可以采用本领域中既有的声光调制器或者电光调制器，也可以采用声光调制器和电光调制器共同组成的组合调制器，以实现所需的调制功能。

在一个实施例中，进一步的，信号发生器14包括任意波形发生器、晶体管逻辑电平信号发生器或射频信号发生器。可以理解，本实施例中，信号发生器14可以是本领域中既有的任意波形发生器，也可以是本领域中既有的晶体管逻辑电平信号发生器，或者还可以是本领域中既有的射频信号发生器，以产生所需的编码脉冲信号。

在一个实施例中，进一步的，编码脉冲信号的码元长度为4 。可以理解，码长长度为4，码元宽度为一个单个码(0或者1)的宽度。本实施例中选用的码元长度为4 ，可以实现较为简便的风速测量效果。

关于测风激光雷达系统100信号处理过程的具体限定，可以参见上文中二元脉冲幅度编码测风激光雷达风速测量方法的相应限定，在此不再赘述。可以理解，上述测风激光雷达系统100的光路中，还可以包括上述实施例未列出的其他组成部件，具体可以根据不同应用场景中具体应用的测风激光雷达系统100的结构组成确定。

在一个实施例中，为了更好地理解本申请的技术方案，本实施例中提供了其中一种详细的实施示例。需要说明的是，该实施示例并非是对本申请的唯一限定，本领域技术人员可以根据本申请的技术方案的构思实现不同场景下的风速测量。

如图6所示，其中

若第一组回波的脉冲部分在第二个码元处的强度为0，则解码矩阵为：

；

即第二个码元为-1，其余都为1，再通过解码公式：

；

计算出对应不同延时的单个码元宽度的功率谱

本示例中提供的采用基于二元脉冲幅度编码的测风激光雷达系统，与非编码脉冲测风激光雷达得到的速度-距离探测结果对比示意图如图7所示：

使用本申请提出的技术方案测量得到的风速

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，还可做出若干变形和改进，都属于本申请保护范围。因此本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。