[发明专利]一种在频域内估算相干测风激光雷达载噪比的方法

说明书

本发明公开了一种在频域内估算相干测风激光雷达载噪比的方法，包括步骤1、获取原始功率谱数据；步骤2、计算噪声门限值N_floor；步骤3、去除背景噪声：将获取的原始功率谱数据减去背景噪声；步骤4、确定噪声和信号所在频谱位置；步骤5、读取噪声、信号所在频谱位置的更新功率谱数据，分别采用取均值和取中值的方法，得到均值噪声功率、中值噪声功率、均值信号功率和中值信号功率；步骤6，计算并比较CNR_均值和CNR_中值，取其中较大的数值作为当前距离门的CNR。本发明使用单个距离门的功率谱数据，通过对频谱分量进行排序和累加，然后和噪声分布理论值对比来获取噪声门限、噪声功率和信号功率，最终计算出CNR，偏差小且更接近实际。

技术领域

本发明涉及激光雷达信号处理研究领域，特别是一种在频域内估算相干测风激光雷达载噪比的方法。

背景技术

在大气风场的晴空探测中，测风激光雷达发挥着极其重要的作用。激光雷达使用激光作为载波信号，与大气中的分子和气溶胶粒子相互作用产生回波信号，利用多普勒效应进行风场的测量，具有探测精度高、时空分辨率高、响应速度快等优点，广泛应用于机场、风电场等场合。测风激光雷达分为相干和非相干两种，其中相干测风激光雷达采用外差探测方式，有利于弱信号的探测，在风场数据灵敏度要求较高时应用更为广泛。

在测风激光雷达的使用过程中，雷达数据的可靠性是其应用基础。在描述数据可靠性和雷达系统性能方面，CNR是一个非常重要的指标，这直接与激光雷达探测的范围以及精度密切相关。CNR表示信号光功率和噪声功率之间的比值，对于相干测风激光雷达来说，其时域表达式简化为（步志超，2014）：

其中，η为系统效率，E_x为激光器发射能量，β为气溶胶后向散射系数，λ为发射激光的波长，R为探测距离，T为传输R处的大气透射率，D为望远镜孔径，h为普朗克常量，B为探测器信号带宽。由公式可以看出，在时域计算CNR需要众多参量，进行实时估算有一定的困难。

快速傅里叶变换（FFT）是相干测风激光雷达数据处理的最常用方法（Kameyama etal. 2009），该方法使用一个距离门内的采样数据，通过功率谱来估算风速。因此，可以使用功率谱数据，从频域进行CNR的估算。一般情况下，原始的功率谱数据不能直接用于CNR的估算，还需要扣除背景噪声，以提高CNR。

常用的两种去噪方法是：1、减去最后距离门回波信号（何平等，2013）；2、减去当前距离门拟合噪声（步志超，2014）。

罗甜等（2017）在此基础上提出了一种频域CNR的计算方法，该方法首先使用前面提到的去噪处理，然后使用功率谱峰值频率为中心固定区间的功率谱数据作为信号，将剩下的数据作为噪声，从而计算出CNR。

上述的CNR频域计算方法仍存在如下方面的不足：

1、在去噪方面，对于近距离探测应用的相干测风激光雷达（如机舱式激光雷达），其探测范围只有几百米（地基式激光雷达探测范围超过10km），最后一个距离门数据通常含有明显的信号而不能直接作为噪声使用，而目前单距离门拟合的方法完全使用理论值作为噪声，其拟合结果过于理想化，往往会低于实际功率谱的噪声。

2、当前的CNR频域估算方法使用固定宽度的功率谱数据作为信号，简洁易行，适用于在信号谱宽变化不大的场合。但随着信号谱宽的变化，功率谱峰值及其3dB衰减点的范围随之变化，显然这种使用固定宽度的方法无法反映出这种改变，使信号功率估算产生较大偏差，从而导致CNR估算的偏差，影响数据有效性的判断。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种在频域内估算相干测风激光雷达载噪比的方法，该在频域内估算相干测风激光雷达载噪比的方法使用单个距离门的功率谱数据，通过对频谱分量进行排序和累加，然后和噪声分布理论值对比来获取噪声门限、噪声功率和信号功率，最终计算出CNR。