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中高层大气测风激光雷达数据采集系统.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.28M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第 42 卷 第 1 期 2015 年 1 月 中 国 激 光 CHINESE JOURNAL OF LASERS Vol. 42, No. 1 January, 2015 中高层大气测风激光雷达数据采集系统 高 昕 1 韩於利 2 金 革 1 1中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室, 安徽 合肥 230026 2中国科学技术大学中国科学院临近空间重点实验室, 安徽 合肥 230026 (15~60 km) (DWL) (DMDAQ) 的双模式数据获取系统 多普勒测风激光雷达 DWL 摘要 研制了应用于中高层大气 。该系统 技术指标达到国际先进水平，不仅满足了中高层大气多普勒测风激光雷达线性动态探测范围大、时空分辨率高的 DWL 研制中小型化和更新升级的需要。为了验证该数 技术要求，而且以其集成度高、可重构的特性满足当前车载 系统对风场观测的结果与气球探测结果在重 据获取系统的性能，进行了风场观测对比实验。结果显示，车载 叠区域 探测高度上的风速测量 ; 。 精度为 TN958.98 测风激光雷达 关键词 遥感 中图分类号 系统的实时回波信号分析显示，在 ; (15~35 km) 6 m/s 上基本一致。同时，对车载 大动态范围 双边缘技术 数据获取 文献标识码 DWL A 60 km ; ; doi: 10.3788/CJL201542.0113002 Data Acquisition System for Wind Lidar in the Upper Atmosphere Gao Xin1 Han Yuli2 Jin Ge1 1State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China 2Chinese Academy of Sciences Key Laboratory of Geospace Environment, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026, China Abstract A double mode data acquisition (DMDAQ) system is developed for Doppler wind Lidar (DWL) in the upper atmosphere (15~60 km). The technical indicators of the system reach international advanced level. The DMDAQ system not only satisfies the requirements of upper atmospheric DWL with the properties of wide linear dynamic detection range and excellent spatial and temporal resolution, but also conveniently to update and incorporate in the miniaturization mobile DWL system due to its high integration and reconfigurable characteristics. In order to evaluate the performance of the DMDAQ system, the wind field observation contrast experiment the Lidar observation agrees well with the radiosonde balloon in the height range of overlapping data (15~35 km). Besides, the accuracy of wind velocity is 6 m/s in the 60 km detection height according to the simultaneous DWL echo signal. Key words remote sensing; wind Lidar; double-edge technique; data acquisition; large dynamic range OCIS codes 010.3640; 120.1880; 280.3640 is carried out. The result reveals that 1 引 言 精确实时的全球三维风场分布对于研究大气动力学、提高数值天气预报的准确性和预警生化污染等方 面具有重要意义。近年来，随着我国在航空航天领域的迅速发展，临近空间环境尤其是中高层大气风场分 布在飞行器航道安全监测和武器发射条件校准等方面的应用显得尤为重要 。国内，多家单位通过各种技 [1-4] 收稿日期: 2014-07-21; 收到修改稿日期: 2014-08-23 基金项目 (11375179) : : : 国家自然科学基金 高 昕 金 革 (1987—) (1960—) 作者简介 导师简介 ，女，博士研究生，主要从事激光雷达电子学系统方面的研究。 ，男，博士，教授，主要从事物理电子学方面的研究。 E-mail: gaoxin@mail.ustc.edu.cn ) E-mail: goldjin@ustc.edu.cn( 通信联系人 0113002- 1
    中 国 激 光 [5] 。 以下 ) [6-7] DWL 50 Hz 20~60 km 探测最有利的工具。 (3 km 大气风场进行探测 (80~105 km) 术手段分别对不同高度的大气风场进行过相关研究。中国科学技术大学钠测温测风激光雷达系统对于中 10 km[8] ；中国科学院上海光学精密机械研究所、中国海洋大学等依托相 间层顶区域 干技术观测了近地面风场 。 (20~ 然而， 的风场探测在国内始终是一片空白。大气分子提供了覆盖全球范围不同探测高度的理想散 80 km) 射 源 。 目 前 ，依 赖 于 分 子 瑞 利 散 射 的 多 普 勒 测 风 激 光 雷 达 ，该激光器的 重复频率为 ，实现了对平流层至中间层底部的风场测 DWL 量，探测高度达 350 mJ 年，中国科学技术大学基于双边缘技术建立的车载瑞利 ，水平风速误差约为 2013 60 km ，单脉冲能量为 ；中国海洋大学组建的碘吸收技术直接测风雷达探测高度达 6 m/s ，探测器量子效率为 在 国 际 上 被 公 认 为 是 临 近 空 间 风 场 (DWL) 20% 15~60 km DWL 由激光发射机、接收望远镜、鉴频器和采集电子学四大部分组成。其中，采集电子学性能直接影响 了激光雷达的探测高度和时空分辨率。一方面，考虑到散粒噪声极限，激光雷达的探测信噪比正比于接收 到的回波信号光子数的平方根。大气密度随高度呈指数下降，而根据雷达方程可知，激光雷达的后向散射 信号强度与探测距离二次方成反比。考虑探测区域为 个数量 的探测高度要求采集电子学的线性动态范围具 级，通常的光电探测器很难线性响应这个极限。因此， 个数量 级 。 另 一 方 面 ，现 在 很 多 重 要 的 大 气 动 力 学 过 程 可 以 通 过 激 光 雷 达 进 行 观 测 。 例 如 ，发 生 有 在 平 流 层 顶 的风切变，在波的传播、反射和滤波方面起着重要作用。而对于风切变的观测需要很高 的时空分辨率，这对采集电子学提出了更高要求。此外，统计意义上，信号的多次累积可以消除背景噪声的 随机起伏。因此，采集电子学时空分辨率的提高对于激光雷达信噪比的提高具有重要意义。目前国内已有 的数据采集系统 设备基本满足要求。考虑 到激光雷达小型化、集成化的发展趋势以及系统升级的实际需要，有必要研制具有自主知识产权的数据采 集系统。 尚不具备上述探测能力，国际上也仅有德国 ，则散射信号强度的变化范围超过 (~50 km) (DAQ) Licel 5~6 公司的 TR 4 DMDAQ 本文提出的双模式数据获取系统 DMDAQ DMDAQ 以具有快速、复杂数据处理能力和可重构性等特点的现场可编程门阵列 采用模拟和单光子计数相结合的光电探测技术，将两种探测 / 技术同步累计得到的数据用最小二乘法加以拼合，成功解决了低层强信号非线性堆积和高层微弱信号的低 (A/D) 信噪比问题，极大地提高了探测的线性动态范围。 研发的难点在于光子计数的高速高增益放大；模 转换带宽内模拟信号的严格线性放大；特别是双模式数据拼合区的探测上，一方面要求模拟探测极 数 (FPGA) 大地抑制噪声，提高对弱信号的分辨能力，另一方面要求单光子探测具有高计数率并能够避免大信号造成 的饱和效应。另外， 11 kHz) Licel 可被开发成专注于激光雷达领域具有可重构性的高指标数据采集系统，能够用于 作为数控核心，使 不能胜任的系统中，例如高重复频率 已被成功应用于中高层多普勒风速测量，在对比实验中，观 以及需要数字信号处理的相干探测中。 测结果与 通过差分测量出射激光和大气回波之间的频率差来反演风速。鉴频器采用三通道法布里 2 多普勒测风系统 DWL (F-P) 珀罗 标准具。激光发射频率被锁定在两个边缘通道交点处，当存在径向风速时，后向散射信号会附加一个 阴影 多普勒频移，引起双边缘通道其中一个接收到的信号强度增加，另一个接收到的信号强度减小，如图 部分所示。多普勒频移根据这两个通道接收到的信号比值反演得到。另外，锁定通道用来监测发射激光频 率，使标准具主动跟踪发射激光频率 ( DMDAQ 几百千赫兹 一致性好，证明了其可靠性。 最大响应重复频率为 的微脉冲激光雷达 (Licel Licel - 1 。 [3] ) (DMDAQ) 径向风速 Vr 可表达为 = λ2[ -1( )ν -1 L ( R )νL 分别为 式中频率响应函数 R( )ν 和锁定通道对发射激光的透过率 TL( , = / I1( )ν , / ILe / T2( )ν = )νL ILs = λ2 ( = T1( )ν TL( = λ2 Δ I2( )ν R( )ν - - νL Vr T ) ν ν , ] )νL (1) (2) (3) 0113002- 2
    中 国 激 光 式中 T1( )ν 和 T2( )ν 为双边缘通道透过率，I1( )ν 和 I2( )ν 是透过两个边缘通道的信号强度，ILe 和 ILs 分别是出 射 参 考 光 和 其 透 过 锁 定 通 道 的 能 量 。 所 示 。 风 速 反 演 依 赖 于 ′ I1( )ν 2( )ν 的不一致性就不会影响风速反 演，即 必须保证严格线性，这样双通道测量值 I 接 收 机 光 路 和 数 据 采 集 系 统 如 图 I2( )ν ，因此， DMDAQ ′ 1( )ν 、I DWL 2 / (4) 式中 a1 和 a2 为常量。 I I ′ 1( )ν ′ 2( )ν ∙ = a1 ∙ a2 I1( )ν I2( )ν , ∝ I1( )ν I2( )ν 1 图 Fig.1 Spectrum of scattering signals and triple F-P etalon 信号散射谱及三通道标准具透射率曲线 transmission curves 2 图 Fig.2 Schematic of the receiver 接收机结构示意图 3 DMDAQ 3.1 双模式探测 设计 R7400U) 模拟采样与单光子计数方式在同采集卡上并行实现，避免了多器件测量下接地环路等因素的干扰，提高 3 实现的，减弱 ， 所示，主要模块有前 了两部分拼合的可靠性和精度。该探测技术采用具有稳定倍增级链的光电倍增管 (RPU) 了强光子计数率下的空间电荷效应，因此具有更高的线性响应范围。 端调理电路、模拟数字转换器 (PMT 结构如图 、同步控制和总线接口。 、可重构处理单元 DMDAQ 数字模拟转换 (ADC)/ (DAC) 3 DMDAQ 图 Fig.3 Block diagram of DMDAQ 设计图 4 ns PMT 单 光 子 计 数 前 端 电 路 针 对 微 弱 窄 脉 冲 信 号 ，要 求 高 速 高 增 益 放 大 、高 灵 敏 度 甄 别 ，且 去 除 脉 冲 堆 积 影 ，能 ，交流耦合移除了 的 最 大 计 数 率 满 足 输入 的抗混叠滤波电路通过前端放大 响。因此采用级联放大器在提高增益的同时保证高速信号不失真；而比较器可甄别的最小脉宽为 够分辨脉宽为 PMT 直 流 和 低 频 成 分 ，使 基 线 固 定 ， 响应要求。模拟探测要求在 限制，并对板级噪声干扰进行抑制以保证对小信号转换的精度。 转换的带宽内严格线性放大，使强光下的模拟电流信号符合 脉冲信号。级联放大器构成的带通滤波电路带宽为 以 下 的 信 号 成 分 由 模 拟 探 测 电 路 获 取 ， 20~250 MHz 250 MHz 20 MHz A/D 0~20 MHz ADC 的 1.3 ns 0113002- 3
    40 MHz 器实现；可变增益放大增益可调范围为 用 全局时钟， 3.2 双模式数据合并 ADC 中 国 激 光 44 dB 9 流水线结构使模拟信号相对延迟 个时间间隔，该偏差在 中消除。 ，由主机远程控制。为保证时序一致性，模拟和单光子探测使 RPU 1 将单光子计数和模拟光电流两部分数据拼合才能够获得高线性动态范围。首先将原始数据进行预处 个时间间隔，因此要对数据进行时间轴校准。再将 的数据求平均后作为背景噪声分别从两种模式信号中减去。每个时间间隔的光子计数转换为 ′ j ，模拟信号转换为以 理。两部分放大电路使模拟信号比单光子信号延时了 信噪比小于 以 mV ，并进行死时间修正得到修正计数率 C 为单位的电压值 Aj 表示。数据拼合的核心思想是在两种探测技术共同有效区内进行最小二乘法拟合， 代表时间间隔的标号 计量的计数率 Cj MHz (j ) 2 ∑ 得到转换系数，拼合信号在整个探测高度范围内连续 Cmax [ C j= ′ ′ j Cmin C 式中斜率 s 、偏移量 o 为转换系数，sAj + 当光子计数率低于 Cmin 时 , ADC , - ( + 2 = ] ) o sAj xmin , 并与高度基本呈对数线性关系。拼合算法可表示为 (5) j 。拼合信号 C o 定义为虚拟计数率 C < ≥ merge j , , C = ì C í C î ′ j j ′ j ′ j C C Cmax Cmax . merge j 由虚拟和修正计数率组成 (6) 无法分辨，拟合区域下限可由模拟信号的信噪比确定 [9] 。当光子计数率 。有效 [10] 高于 Cmax 时，光子计数呈现非线性，拟合区域上限可由滑窗法比较方差与均值线性关系的方法获得 区由夜间探测数据确定，并在探测过程中保持固定。中高层风速实验的有效区为 3.3 可重构数据处理单元 0.5~10 MHz. DMDAQ (FPGA) 4 的可重构处理单元由现场可编程门阵列 所示，时序控制模块为其他模块提供全局时钟和复位信号。 1) 实现，满足大数据量和高速响应的要求，功能框 2) 低成本和高灵活性， 的优势为： 图如图 通过重构来适应不同实验需求； 设计使主机可随时访问 数据，且不影响信号采集连续性，从而可以监测实验过程。逻辑复制和基于时钟双边沿触发的乒乓技术等 采样率时钟下进行，无需其他相位差延迟时钟信号，提高了效 一系列并行处理算法使数据获取在双倍 率和准确性。 内部集成的锁相环 使得系统的时钟调整非常灵活，连续脉冲采集触发频率可以大 大提高。 数据处理效率大大提升。双缓冲先入先出 ADC (PLL) (FIFO) FPGA FPGA 4 图 Fig.4 Functional block diagram of RPU 可重构处理单元功能框图 4 4.1 ADC 有效位测试 性能测试 A/D (ENOB) 实验要求模拟探测的虚拟计数率为 +1) 1.19 bits 声测试法计算 4.2 模拟采样线性 ，则根据 XENOB=12- (log2 σ 2 转换有效位 0.5 MHz~1 GHz 得 XENOB=10.75 bits 。信号输入端接地，噪声数据统计分布如图 66.48 dB ，即探测范围达 ，则信噪比为 ，达到 3 5 66 dB 个量级，则信噪比为 要求。 66 dB = 。根据噪 所示。求得均方差 σ DMDAQ 0113002- 4 由第 节分析可知，风速计算依赖于两通道测量值之比， 系统要求具有严格线性。这里对模拟 ̂ ̂
    采样进行了线性性能测试。信号源输出幅值 与 理 论 值 进 行 拟 合 ，图 GGain1。由图 可知，线性拟合相关系数 (R-Square) 选 取 6 6 3 50 mV 中 国 激 光 2.1 V 到 0.9999 种 增 益 条 件 下 数 据 ，其 曲 线 斜 率 符 合 的正弦信号，将不同增益条件下得到的数字幅值 种 增 益 的 近 似 关 系 GGain3=2× GGain2=4× 3 均达 以上，证明具有可靠的线性关系。 5 图 Fig.5 Distribution of noise 噪声分布 6 图 Fig.6 Linear result of analog sampling 模拟采样的线性结果 4.3 光子计数率测试 PMT 2 对 输出暗计数进行测试，暗计数比回波信号弱 个数量级。因此噪声主要来源是信号涨落引起的 散粒噪声，暗计数可忽略，而多次累计平均是降低散粒噪声的方法，在现有时空分辨率条件下可满足信噪比 240 MHz( 要求。另外，以信号发生器 最大光子计数率。实验证 能够获得正确的计数而不丢数，各时间间隔之间无死 明， 时间无重叠。 4.4 数据传输耗时 DMDAQ 在连续 (Tektronix AFG3252C) 测试信号下 DMDAQ 周期信号作为输入，测试 累计后，将数据送入主机处理存档。时间利用效率和观测实时性要求数据传输耗 。该速率与 信号源输出最高频率 下测得平均耗时 DMDAQ ，占用相对时间 (16384 个时间间隔 0.35% 42 ms 120 s ) ) Licel 时尽可能短。在传输最大数据量 5 测试结果基本一致。 7 7 与 的测试环境为 DMDAQ 实验结果 Licel 7 进行了 Licel 发脉冲的平均结果。由图 2013 7(a) (b) 与 曲线的相似度，得到两通道的相关系数分别为 35 km 图 、 97 °14′E) 60 km ，且风速微小，因此两个通道信号差别不明显；而图 2013 于青海德令哈进行了 3.2 设备对比的风场观测实验，探测数据经 0.9972 可知，两套设备探测结果吻合的非常好，通过 (31°51′N, 117 °16′E) 和 (d) 夜间， 、 则是 左右，晴朗少云，探测高度达 日上午 3000 DMDAQ Matlab 节所述算法修正后如图 30 ℃ ，可见两设备的线性相似程度很高。 2013 12 (37°13′N, 左右，多云有雾霾，探测高度仅有 年 0.9977 7(c) DWL ，且径向风速大，所以两通道差别明显。 1) 两者在风速和风向上都有很好的一致性，但是也有微弱的差别。引起这种微弱差别的原因主要有： 探测一组数据要 的地方，因此会产生一定的差别。 所示。结果显示 气球 气球在探测的过程中会飘到上百公里远 -10 ℃ 23 月 2 h 2) 或者半小时； 与气球探测的对比实验，如图 左右，而激光雷达仅需要 12 凌晨， 年 日青海德令哈 corrcoef 2 min 函数分析 所示，为 6:54 日合肥 软件的 23 年 月 月 8 8 0113002- 5
    中 国 激 光 7 图 Fig.7 Observed data of wind field 风场观测数据。 Fig.8 Wind speed and direction profiles measured by DWL and Balloon. (a) Wind velocity; (b) wind direction 和气球测量风廓线对比实验。 风速 风向 图 8 DWL (a) ; (b) 6 结 论 为中高层大气风速激光雷达实验设计了具有大动态范围的双模式数据获取系统。与国外商用仪器相 比，在探测线性动态范围、时空分辨率、信号连续采集持续时间、数据传输时间指标上已达到先进水平，响应 激光脉冲重复频率的最大值远高于商用仪器。电子学测试和风场观测证明了 中高 层大气风速观测的要求。同时， 内部逻辑，重组硬件资源，快速适 应多领域激光雷达系统，节约了再开发或更换商用仪器的成本，为激光雷达研发中的升级和更新提供保障。 的灵活性在于可以重新配置 DMDAQ DMDAQ FPGA DWL 能够满足 1 Zhang Caiyun, Weng Ningquan. Research on the characteristic of clear-day dynamic turbulence in troposphere based on wind profile radar[J]. Chinese J Lasers, 2013, 40(12): 1213003. 参 考 文 献 [J]. , 2013, 40(12): 1213003. , , . , 翁宁泉 基于风廓线雷达的晴空对流层动力湍流特征研究 2 Yan Baodong, Song Xiaoquan, Chen Chao, 张彩云 Optica Sinica, 2013, 33(s1): s128001. . 2011 Mid-altitude wind measurements with mobile Rayleigh Doppler lidar incorporating systemlevel optical Beijing atmospheric boundary layer observation with lidar in 2011 spring[J]. Acta 3 H Xia, X Dou, D Sun, 闫宝东 frequency control method[J]. Opt Express, 2012, 20(14): 15286-15300. , 2013, 33(s1): s128001. 春季北京大气边界层的激光雷达观测研究 中国激光 光学学报 宋小全 陈 超 [J]. et al.. et al.. , 等 0113002- 6
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