基于MATLAB的陸基激光雷達信號分析

文心怡， 李 靜， 梁廣宇， 倪曉昌， 曲 芳

(1 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 電子工程學(xué)院， 天津 300222； 2 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，天津 300222)

0 引 言

隨著激光、光電及信號處理等領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，激光雷達技術(shù)日益成熟，在大氣探測特別是氣溶膠探測中起到越來越重要的作用。激光雷達接收設(shè)備能夠獲取雷達架設(shè)地點低空的云和氣溶膠信息，通過整理信息，對激光雷達的原始回波信號數(shù)據(jù)進行解析，篩選出后期應(yīng)用單位能夠使用的具體信號。通過編制MATLAB雷達信號的處理程序，進行有效信號的轉(zhuǎn)化，提取出相應(yīng)的Excel數(shù)據(jù)并形成可視化回波圖像，這樣的處理使數(shù)據(jù)結(jié)果得以直觀地呈現(xiàn)，使氣象事件簡潔明了地體現(xiàn)。結(jié)合整合數(shù)據(jù)和圖像，分析在不同時間段內(nèi)發(fā)生事件的情況，通過參考某地區(qū)觀測時間段內(nèi)大氣氣候的具體狀況，驗證信號分析結(jié)果的合理性。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 激光雷達與光散射法

基于高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特點，激光具有非常精確的測距能力。而激光雷達是一種可以精確、快速獲取地面或大氣三維空間信息的主動探測技術(shù)。通過激光雷達獲取的數(shù)據(jù)成果可廣泛應(yīng)用于資源勘探、氣象探測、環(huán)境監(jiān)測、交通通訊等方面，為社會發(fā)展和科學(xué)研究提供了極為重要的原始資料，激光雷達技術(shù)有著良好的應(yīng)用前景。

光散射法主要利用光的散射原理。即當光束穿過某一粒子時，部分光的傳播方向會發(fā)生改變，進而能夠向空間各個方向散射。光束改變的角度及光強會因為粒子本身具有的一系列性質(zhì)而改變。通過測量光束的變化情況，利用公式計算出粒子的相關(guān)特性。

相比于其它方法，光散射法適用性廣、測量精度高、速度快、性能穩(wěn)定、可對粒子進行遠距離、實時、準確地測量。

1.2 后向散射原理

圖1 后向散射原理圖

1.3 Mie散射

當顆粒直徑與入射光波長相當時，散射光的強度可由Mie散射理論來描述。氣象測量的大氣懸浮顆粒物直徑一般處于微米量級，與常用的探測光波長處于同一數(shù)量級，所以可用Mie散射理論來計算大氣懸浮顆粒物的直徑，以達到對高空氣象的初步推斷。根據(jù)Mie散射理論，當光波長為λ，強度為I0的平行光束入射到直徑為D的粒子上時，在空間中與該散射粒子距離為r處的散射光強I1可表示為式(1)、(2):

(1)

(2)

式中，σ為單顆粒的散射系數(shù)[2]。

由于大多數(shù)情形下要研究由無數(shù)個粒子所組成散射體的散射，所以需要考慮散射體中每個粒子都暴露在其周圍粒子散射光之下的情況，可以理解為每一個粒子不僅會對原始光束進行散射，還對周圍粒子的散射光進行二次散射。但實際中在低粒子濃度下進行測量時，多次散射對于第一次散射來說的影響微乎其微，在實際計算中，可以忽略。

粒子在散射體中的空間分布是隨機的，因此散射具有互相獨立的不相干性，所以當某一方向上的散射強度增強時，在這一方向上的各個粒子散射強度都增強。假設(shè)單位體積內(nèi)的粒子數(shù)為N，則單位散射體的散射系數(shù)為Nσ。用顆粒的平均粒徑來表示散射體中顆粒的粒徑分布。那么當光入射到一個單位散射體上時，則在距離為r處的散射光強I2為式(3)、(4)：

(3)

(4)

式中，m為被測顆粒折射率，θ為散射角(90°<θ<270°)，i1(k,m,θ)和i2(k,m,θ)為散射強度函數(shù)，式(5)和式(6)分別表示平行于與垂直于散射面的強度分量，可用散射振幅函數(shù)S1(k,m,θ)，S2(k,m,θ)來分別表示為式(7)和式(8)：

i1(k,m,θ)=|S1(k,m,θ)|2,

(5)

i2(k,m,θ)=|S2(k,m,θ)|2,

(6)

(7)

(8)

an、bn是與k、m有關(guān)的量，其值由Ricattic-Bessel函數(shù)決定，式(9)和式(10)：

(9)

(10)

故在其它參數(shù)已知時，散射光強I2就與粒子數(shù)濃度成正比[1]，這就是利用光后向散射法測大氣懸浮顆粒物濃度的理論依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析

本文對收集到的原始回波信號進行數(shù)據(jù)整合與解析，篩選出后期應(yīng)用單位能夠使用的具體信號。將雷達收集到的二進制代碼經(jīng)程序處理后形成十進制文本，如圖2所示。

圖2 十進制文本圖像

利用MATLAB編制雷達信號的預(yù)處理程序?qū)υ夹盘栠M行數(shù)據(jù)整合與解析，通過算法提取有用信號，選取合適的參考點作為數(shù)據(jù)起始點，計算分子和大氣回波的擬合系數(shù)，以此為后期雷達數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用提供一個數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)。同時形成一系列可視化調(diào)研結(jié)果圖像，如RCS(雷達散射截面、Rader-Cross-Section) signal、Molecular(分子)電壓隨高度變化的圖像、Backscatter coefficient(后向散射系數(shù))隨高度變化的圖像，使處理后的結(jié)果圖像化地直觀呈現(xiàn)出來。

通過對比不同時刻的圖形變化來研究氣象的變化對不同系數(shù)的影響。

通過選取某晴朗天氣中一個時段的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)初步篩選后利用MATLAB程序處理，得到了圖3的RCS signal、Molecular電壓隨高度變化的圖像。由圖3可知，隨高度的增加，Molecular 的電壓的減小相對緩慢且有規(guī)律，RCS signal的電壓逐漸靠近Molecular的電壓，在4000m左右最為接近，后波動幅度變大，但始終在Molecular電壓周圍。通過觀察得知，該時刻RCS signal的電壓波動幅度整體變大，通過查閱資料對比可得，此時大氣氣候與之前相比，發(fā)生了明顯的變化。

圖3 RCS signal、Molecular電壓隨高度變化圖

選取了晴雨時Backscatter coefficient(后向散射系數(shù))隨高度變化的圖像，如圖4所示。由圖4可知，此時隨高度增加，大氣氣溶膠的成分及含量變化不大，大氣氣候狀況沒有明顯變化，Backscatter coefficient隨高度增加，變化幅度較大，沒有明顯的趨近值，與該時刻雨天的天氣狀況相符。

圖4 后向散射系數(shù)變化

在對某天回波信號采集的有效數(shù)據(jù)進行MATLAB程序減背景噪聲處理后所呈現(xiàn)出的偽彩圖如圖5所示。通過圖5可清晰觀察到大約在10時，高空的氣候狀況發(fā)生了較大的變化，可能存在：突發(fā)降雨、降雪、強對流等天氣狀況，隨后發(fā)生了更大的變化，大約在14時，氣象狀況漸漸回歸穩(wěn)定。

圖5 偽彩圖

2019年10月1日到15日天氣的變化情況如圖6所示，根據(jù)圖6畫出相應(yīng)的溫度及風(fēng)速變化情況折線圖，如圖7所示。

圖6 氣象信息

圖7 溫度變化情況折線圖

針對選定的該段時間，通過程序處理得到了一系列偽彩圖如圖8所示，圖像結(jié)果能夠反映出10月1日零時起至10月 3日上午的天氣狀況比較溫和，無特殊氣象狀況發(fā)生；氣象狀況自3日下午開始發(fā)生了變化，由晴轉(zhuǎn)至多云；4日多云且存在降雨情況，同時可以看出風(fēng)速增強；5日天氣轉(zhuǎn)晴，但下午過后云層增多；6日全天多云；7日與8日均為晴朗天氣；9日與10日再次出現(xiàn)多云天氣；11日至13日是陰云天氣，其中13日有少量降雨情況；14日天氣轉(zhuǎn)晴，直至15日傍晚高空出現(xiàn)多云情況。

圖8 多日氣象偽彩圖

3 結(jié)束語

本文依據(jù)已有的實際陸基激光雷達采集的信號數(shù)據(jù)信息，初步篩選后得到有效數(shù)據(jù)，運用后向散射及Mie散射原理編制MATLAB算法程序，將有效數(shù)據(jù)經(jīng)算法轉(zhuǎn)化得到一系列可視化結(jié)果圖像，對圖中呈現(xiàn)的關(guān)鍵參數(shù)信息進行分析。結(jié)果表明，當前算法得出的不同類型圖像所體現(xiàn)的信息，均與客觀實際的氣象情況一致，證實了方法的可行性與分析的合理性，可進行下一步實際應(yīng)用的研究與設(shè)計。