一种提高测风激光雷达有效探测距离的数据处理方法

1.本发明涉及数据处理领域，更具体地说，涉及一种提高测风激光雷达有效探测距离的数据处理方法。


背景技术：

2.测风激光雷达是一种主动激光遥感设备，具有体积小，动态探测距离远，时空分辨率高，精度高等特点，被广泛应用于大气风场遥感领域。相干多普勒测风激光雷达历经几十年的发展，已经在地基、舰载和机载平台得到论证，技术较为成熟，可实现复杂风场、大气湍流、重力波、风切变、尾流、龙卷风的探测，已广泛应用于气象、风能、军民机场、短临天气预报等领域。
3.然而根据激光雷达方程，激光雷达回波信号强度随着探测距离的扩大而迅速衰减，此外在探测过程中还存在背景光的干扰、随机噪声等因数的影响。在远处的回波信号通常会被噪声淹没。因此，研究合适的去噪算法，将信号从噪声中提取来，对提升测风激光雷达有效探测距离具有重大作用。随着不断的激光雷达信号处理技术的发展，小波变换（wt）、经验模态分解（emd）和其他去噪方法等被广泛应用于激光雷达信号处理。然而，小波变换不能自适应地找到不同问题的最佳组合。相比之下，emd技术弥补了wt的缺陷。在传统emd的基础上，su等人提出了一种新的频率转换分辨率分解方法（vfemd），将原有的emd方法扩展到高分辨率尺度，克服了分辨率只取决于分解信号的长度的限制。尽管如此，emd及其变体也有一些缺陷，例如模式混叠、过度分解和结束效应。目前已有去噪算法通常计算复杂度和时间复杂度高，而噪声类型和来源复杂多样，已有算法适用性有限，且弱信号从噪声中提取出来一直是研究难点。因此，如何提高利用相干多普勒测风激光雷达的功率谱信号提取风速的精度和提取概率是迫切解决的问题。


技术实现要素：

4.1．要解决的技术问题针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种提高测风激光雷达有效探测距离的数据处理方法，它能够通过拟合的方法对每个距离门进单独去噪，并通过寻找降分辨率方法缩小风速反演区间，有效提高激光雷达的有效探测距离。
5.2．技术方案为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
6.一种提高测风激光雷达有效探测距离的数据处理方法，包括以下步骤：s1、首先读取原始激光雷达信号功率谱，其中代表频率，代表距离门；s2、根据原始激光雷达信号功率谱，进行降分辨率处理，构造功率谱；s3、通过逐个距离门拟合去噪，从功率谱提取每个距离门的中心频率点
；s4、重复s3，对原始功率谱进行去噪，在区间,提取功率谱的中心频率点，并计算对应的信噪比，为第三索引频率带宽；s5、利用多普勒频移公式，将中心频率点转化为风速；s6、根据信噪比和风速方差进行质量控制，剔除异常值。
7.进一步的，s2中，功率谱计算方式如下：；其中为将第一距离门带宽。
8.进一步的，s3中，去噪算法过程如下：在区间,提取功率谱的峰值位置，其中为第一索引频率带宽,多普勒频移位置。
9.进一步的，扣除区间对应的功率谱，得到功率谱，剩余的功率谱主要由噪声构成，为第二索引频率带宽。
10.进一步的，对剩余的功率谱进行噪声拟合建模，噪声拟合建模优选多项式拟合的方式：；其中为第个距离门的，第阶系数；其中其中；根据多项式拟合结果，得到噪声曲线：；其中。
11.进一步的，去噪以后的功率谱：；利用高斯拟合提取每个距离门的中心频率点，高斯拟合模型为：；为信号强度，为气溶胶谱宽，信噪比的用高斯拟合曲线的面积计算，其
表达式为。
12.进一步的，s4中，去噪后的功率谱为。
13.进一步的，s5中，风速的表达式为：；其中为激光波长。
14.进一步的，当信噪比,赋值为nan，为第一信噪比阈值。
15.进一步的，计算风速的方差，将方差大于指定阈值的距离门的风速替换成。
16.3．有益效果相比于现有技术，本发明的优点在于：（1）本发明采用降低分辨率的方法构造功率谱，可以有效的将被噪声覆盖的背景风场提取出来，根据背景风场可以锁定和缩小风速的索引区间，增强风速反演几率；（2）本发明采用逐个距离门的拟合去噪方法，简单有效，时间复杂度低，实时性好，利用高斯拟合面积作为信噪比，能够有效降低由于不同距离门背景噪声噪声造成的抖动。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的一种提高测风激光雷达有效探测距离的数据处理方法的流程图；图2为本发明实施例提供的功率谱举例图；图3为本发明实施例提供的传统数据处理方法和本发明提出的数据处理方法的结果对比图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设
置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
21.实施例1：请参阅图1，一种提高测风激光雷达有效探测距离的数据处理方法，包括以下步骤：s1、首先读取原始激光雷达信号功率谱，其中代表频率，代表距离门；本实施例中，距离门288、289、290、291、292对应的功率谱、、分别如图2中的（1）、图2中的（2）、图2中的（3）、图2中的（4）、图2中的（5）所示，由图可知，距离门288-292对应的功率谱信号均被噪声淹没，看不到信号峰。
22.s2、根据原始激光雷达信号功率谱，进行降分辨率处理，构造功率谱；的功率谱计算方式如下：；其中为将第一距离门带宽。
23.本实施例中，距离门290对应的构造功率谱，如图2中的（3）所示，由图可知，功率谱具有明显的信号峰。
24.s3、通过逐个距离门拟合去噪，从功率谱提取每个距离门的中心频率点；去噪算法过程如下：在区间,提取功率谱的峰值位置，其中为第一索引频率带宽,多普勒频移位置。
25.其中，扣除区间对应的功率谱，即将功率谱的信号区域扣除，得到功率谱，剩余的功率谱主要由噪声构成。为第二索引频率带宽。
26.其中，对剩余的功率谱进行噪声拟合建模，噪声拟合建模优选多项式拟合的方式：
；其中为第个距离门的，第阶系数，其中阶系数，其中。
27.根据多项式拟合结果，得到噪声曲线；其中。
28.其中，去噪以后的功率谱。
29.利用高斯拟合提取每个距离门的中心频率点，高斯拟合模型为：；为信号强度，为气溶胶谱宽，信噪比的用高斯拟合曲线的面积计算，其表达式为。
30.本实施例中，距离门290对应的构造功率谱，如图2中的（3）所示，功率谱对应的中心频率点为86mhz。
31.s4、重复s3，对原始功率谱进行去噪，在区间,提取功率谱的中心频率点，并计算对应的信噪比。
32.为第三索引频率带宽。
33.去噪后的功率谱为。
34.s5、利用多普勒频移公式，将中心频率点转化为风速风速的表达式为：；其中为激光波长。
35.s6、根据信噪比和风速方差进行质量控制，剔除异常值：当信噪比,赋值为nan，为第一信噪比阈值。
36.其中，计算风速的方差，将方差大于指定阈值的距离门的风速替换成，如图3所示，本发明数据处理算法结果的有效探测明显多于传统处理算法，有效探测距离门多了70个，验证了本方明的有效性。
37.以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。