卫星微振动对测风激光雷达信噪比影响研究 下载: 1161次
1 引言
高精度的大气风场模型在改善天气预报精度、自然灾害的准确预警、大气组分和运动学的深入研究方面具有重要的作用[1,2]。当前地球大气风场测量主要依靠地面观测系统和天基大气观测系统。地球表面观测系统利用地面基站和机载系统,提供地球表层大气的风场数据;天基大气观测系统主要是根据星载云图变化反演风场,该方式覆盖范围较广,可明显观测大范围的云层运动,但分辨率较低,对于局部气流短时间变化较难检测。
激光雷达测风作为一种新兴技术手段,以较好的时间、空间分辨率,以及响应速度快等特点受到世界各国高度重视。同时相干测风激光雷达有高信噪比(SNR)、高探测精度的优势[3]。国外相干测风激光雷达发展迅速,欧美许多国家已经开展了地基和机载相干测风激光雷达的研究。国内研究虽然起步较晚,但是目前已经有多家单位开展了航空航天、遥感测量及气象探测等领域的应用研究[4]。
卫星上一般配置动量轮、陀螺和太阳翼等转动部件,其工作时会产生一定程度的微振动。由于所产生的微振动会对相干测风激光雷达的信噪比造成的一定影响,因此,本文在对相干测风激光雷达系统原理分析的基础上,针对卫星微振动对相干测风激光雷达信噪比的影响进行了实验验证。
2 基本原理
2.1 系统组成
不同类型不同应用的相干测风激光雷达系统的组成存在较大差异,但就大多数系统的关键器件的作用而言,基本相同,其工作原理如
整个系统从连续单频激光器开始,出射的激光由分束器分成三部分。第一部分,首先经过频移器移频(或者不移频,看所用的场合),然后用于以下几种方式中的一种:1)不经过放大直接射向大气;2)经过连续激光放大器或者种子注入振荡器来放大出射能量;3)经过脉冲激光放大器得到高脉冲能量的出射激光。频移器的作用是在连续激光上面偏置一个频移量,用来在回波信号中判断频移的正负,从而反演风速的方向。第二部分,主要用来与从发射激光器出射激光的一小部分激光进行混频,由监视器进行接收,可以准确得到发射激光的频率、相位及振幅信息,从而提高后续信号的测量精度。第三部分为本振激光,主要用来与回波信号在探测器上进行混频。
2.2 探测激光的多普勒效应
若大气气溶胶粒子相对于光源运动,则接收气溶胶散射光的频率不仅取决于照射光的频率,还与气溶胶粒子相对于光源的运动速度、运动方向和散射角有关,其原理图如
如不考虑相对论(时间的相对性)的影响,则激光雷达接收速度v的气溶胶粒子散射光的多普勒频移为
式中:fs为散射光的频率;f为照射光的频率;c为光速;i为照射光方向的单位矢量;s为散射光方向的单位矢量。
由于|v|<<c,可得:
令ks=
若采用单端多普勒测风激光雷达测风,则ki=-ks,可得:
令vr为径向的风速分量,则风速可表示为
3 天基相干测风激光雷达的信噪比计算方法
3.1 大气回波功率
大气回波功率描述了与测风系统距离为z的气溶胶等后向散射到达接收单元的功率大小,它融合了收发系统、目标和大气参数等信息,是反映系统探测能力的关键指标之一。
以收发同轴系统为例,如
根据以上描述,假定探测目标具有均一性分布,且ΔT很小,可得到平均大气回波功率的表达式为
K(z)一般以比尔定律表示为
式中:α(z)表示沿光束传输路径的消光系数。
后向散射系数和消光系数在不同地理位置和天气条件下也不同。结合美国标准大气模型和后向散射理论,可得理想条件下的后向散射系数和大气消光系数为
对于对流层大气来说,S=50 sr。
3.2 信噪比
风速(频率)的精度直接取决于接收到的回波信号强度与接收器的探测噪声,对于相干系统,信噪比定义为外差得到的信号功率与噪声功率之比,它与大气回波功率的关系为
式中:h为普朗克常量,h=6.626×10-34;ν表示光子频率;B表示探测带宽;ηH(t)为外差效率。
针对收发合一的雷达系统,信噪比为
对于具体系统,E、ηl、λ、B为固定值,β(z)、K(z)与距离z相关。为了分析信噪比和望远镜口径之间的关系,提取公式中与口径相关的项,表示为
由于采用望远系统,光学系统聚焦在无穷远,则ηs(z)为最大系统效率[6]。
式中:F为菲涅耳常数,F=π
4 卫星微振动对相干测风激光雷达信噪比的影响
4.1 望远镜口径和失配角对信噪比的综合影响
为了获取全球大气风场,望远镜光轴与卫星的+Z方向需成45°夹角,如
对于相干测风激光雷达系统,望远镜口径和失配角会影响信噪比。除此之外,需要进一步分析微振动对信噪比的影响。
针对400 km轨道高度,可以仿真出信噪比与探测距离失配角θl和望远镜孔径D之间的关系[7],如
图 5. 归一化的RSNR随θl和D变化的三维图
Fig. 5. Three-dimensional map of normalized RSNR as a function of θl and D
由
图 6. 最优望远镜口径值与失配角的关系曲线
Fig. 6. Relation curve between optimal telescope aperture value and mismatch angle
从
根据文献[ 8]介绍,由各种因素带来的失配角导致的信噪比损失模型为
根据400 km轨道对应的最优望远镜孔径值,在失配角为3.77 μrad时,卫星微振动导致的信噪比降低为
式中:θm为微振动引起的角度变化量;则相比于失配角为3.77 μrad的情况,信噪比的比值为
一般相关测风激光雷达采用波长为2 μm的固体激光器[5],可得微振动引起的角度偏差后带来的信噪比的比值曲线如
4.2 基于图像的卫星微振动测试原理
景物模拟器置于相机前,经过调整将黑白条纹靶标成像于相机CCD上。实验中通过分析靶标成像的像元位置变化,来测量微振动的大小。每行受扰振的像元偏移量为
式中:L(i)为每行的灰度中心位置;N为截取图像数据的行数。
4.3 实验数据分析
基于某型号地面微振动实验数据,采用最接近在轨工作状态的工况数据(数传天线、动量轮、陀螺、帆板转动机构、控制力矩陀螺均设置为在轨工作状态)。将像移量转变为随时间的变化量,如
由
根据实验数据可以得到,当失配角为3.77 μrad时,微振动导致的信噪比变化如
5 结论
本文开展了微振动对天基相干测风激光雷达信噪比的影响研究。首先分析了相干测风激光雷达测量风速的原理,并给出了信噪比的计算方法;随后分析了卫星微振动对相干测风激光雷达的信噪比影响,主要有两方面内容:1)最优望远镜口径值会随着失配角的变化而变化,在失配角为3.77 μrad时,得出卫星的微振动引入的信噪比计算公式;2)基于某型号卫星的微振动实验数据,对相干测风激光雷达的信噪比的影响进行了分析。结果表明:当前某卫星平台产生微振动对相干测风激光雷达的信噪比有一定影响,变化范围大约在-1.5 dB~1.36 dB之间,该影响对于卫星是可接受的。
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