中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津 300300
针对低能见度天气条件下的多次散射影响，提出一种根据多次散射激光雷达方程反演斜程能见度的改进方法。首先，根据后向散射峰值拟合散射相函数，采用半解析蒙特卡罗法计算多次散射修正系数m；其次，根据Collis法求解能见度级数值，并将相应m值代入多次散射激光雷达方程；然后，采用Fernald法反演消光系数，求解斜程能见度；使用激光雷达探测不同能见度等级的雾霾和大雨天气回波信号进行实验验证，对所提拟合方法和常用Henyey-Greenstein（HG）函数方法得到的斜程能见度结果进行比较。结果表明，在雾霾天气条件下斜程能见度的结果相差10.9%，大雨天气条件下，斜程能见度相差5.6%。所提改进方法提高了后向散射激光雷达反演斜程能见度的准确性。
散射 多次散射影响 散射相函数 半解析蒙特卡罗法 后向散射 斜程能见度 激光与光电子学进展
2022, 59(4): 0429001
1 天津市智能信号与图像处理实验室，天津 300300
2 中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300
为了研究非视距（NLOS）紫外光通信在雾天环境下的通信性能，针对常见的雾天衰减模型不适用于紫外光大气信道衰减的问题，提出一种新的衰减模型，针对多次散射传输模型计算复杂的问题，提出一种非对称因子的简化计算方法，并使用分集接收技术建立单发多收（SIMO）紫外光通信系统。利用Mie散射理论建立雾天紫外光衰减模型，计算两种雾型在不同浓度下的紫外光衰减参量；提出关于雾滴粒径的非对称因子的简化计算方法；使用等增益合并技术将分集接收的信号合并。采用Monte Carlo法分析SIMO紫外光通信系统性能，并与单发单收（SISO）紫外光通信系统作对比。结果表明，分集接收能有效改善雾天的紫外光通信性能：在厚、中、薄三种雾天中，SIMO紫外光通信系统的最远通信距离比SISO通信系统分别大约5，10，10 m；SISO紫外光通信系统误码率为10-3时，SIMO通信系统误码率可降低到约10-5。
光通信 分集接收 蒙特卡罗法 路径损耗 误码率 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1106007
1 中国民航大学工程技术训练中心, 天津 300300
2 中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室, 天津 300300
针对传统大气透射仪收发基线固定、采样空间有限、透过率模型适用性差等问题,设计了一种变基线大气能见度测量系统。该系统的激光发射单元固定,光学接收单元可移动,能在不同基线长度上获得大气透过率。通过测量多点大气透过率并进行最小二乘拟合,得到大气消光系数和大气能见度。在大气能见度分别为200,800,2000 m时,对本系统和传统大气透射仪进行了仿真实验。结果表明,本系统测量得到的大气消光系数均方根误差均低于传统大气透射仪,可以有效减小系统误差和随机误差对测量结果的影响。在大气模拟舱内开展的外场实验也验证了本系统的有效性和稳定性。
大气光学 大气能见度 大气透过率 变基线 最小二乘法 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 210102
中国民航大学 电子信息与自动化学院, 天津 300300
针对相位敏感光时域反射仪(Ф-OTDR)信号信噪比过低的问题, 提出了一种基于改进变分模态分解(VMD)结合独立成分分析(ICA)的去噪方法。首先, 采用模拟退火方法(SA)对VMD进行优化; 然后, 采用SA-VMD将预处理后的Ф-OTDR信号分解成一系列本征模态分量(IMF), 并根据相关准则选取IMF分量进行虚拟噪声重构; 最后, 将原始信号与虚拟噪声作为ICA的输入, 去除信号中的噪声, 提高信号信噪比。采用自行设计的相干Ф-OTDR系统进行实验验证, 结果表明, 该方法能够有效去除噪声, 与EMD-ICA和SA-VMD方法相比, 信噪比提高了4dB, 这对系统的实际应用具有重要意义。
模拟退火算法 变分模态分解 独立成分分析 信噪比 Ф-OTDR Ф-OTDR simulated annealing algorithm variational mode decomposition independent component analysis SNR
1 中国民航大学 天津市智能信号与图像处理重点实验室, 天津 300300
2 中国民航大学 工程技术训练中心, 天津 300300
针对PM2.5质量浓度在空间不同高度上的分布测量较难这一问题，采用激光雷达和大气透射仪以及粒径谱仪进行联合探测，反演PM2.5质量浓度廓线.考虑相对湿度等因素的影响，通过大气透射仪和粒径谱仪建立地面PM2.5质量浓度与大气透过率之间的函数关系.以大气透射仪所测地面大气透过率值为基准，修正激光雷达大气透过率在高空的边界值，结合Fernald后向积分法反演出大气透过率的垂直分布.依据建立的函数关系和大气透过率垂直分布，得到PM2.5质量浓度廓线，并采用HYSPLIT后向轨迹分析不同高度层气溶胶的输送和动态变化.通过激光雷达、大气透射仪和粒径谱仪的联合探测实验，结果表明：经大气透射仪修正后，大气透过率垂直分布精度得到了提高，PM2.5质量浓度廓线很好的反映了气溶胶垂直分布的微物理变化特征.
激光雷达 质量浓度 大气透过率 大气气溶胶 相对湿度 Lidar Mass density Atmospheric transmission Atmosphericaerosols Relative humidity
1 中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室, 天津 300300
2 中国民航大学民航空管研究院, 天津 300300
3 中国民航大学工程技术训练中心, 天津 300300
提出了一种基于局部均值分解(LMD)和串行特征融合(SFF)的光纤周界振动信号识别方法。该方法先去除噪声,提取振动信号的相关信息,再进行SFF以得到具有准确描述能力的特征向量,最后采用概率神经网络(PNN)算法进行学习和分类。利用不同单一振动信号和风雨天气干扰下的不同振动信号对该方法进行验证。结果表明,该方法在上述两种情况下的平均正确识别率分别达到96.0%和96.7%,识别时间分别为0.87 s和0.91 s,在敏感信息识别和特征提取方面明显优于传统的LMD算法和SFF-PNN算法。
光纤光学 信号识别 局部均值分解 独立成分分析 概率神经网络
1 中国民航大学 天津市智能信号与图像处理重点实验室, 天津 300300
2 中国民航大学 空管研究院, 天津 300300
3 中国民航大学 工程技术训练中心, 天津 300300
为了提高斜程能见度的计算精度, 提出了一种基于Fernald-PSO法求解气溶胶激光雷达比的方法.首先, 以均匀层底部和顶部的大气消光系数相等为条件构建气溶胶激光雷达比和气溶胶消光系数边界值的方程.然后, 再以激光雷达数据反演和AERONET网站观测的气溶胶光学厚度相等为条件构造另一参量方程.最后, 采用Fernald-PSO法解方程组, 用得到的参量反演气溶胶消光系数计算斜程能见度.采用激光雷达和AERONET数据对该方法进行验证, 分析气溶胶激光雷达比对斜程能见度反演的影响.结果表明, 同一信号气溶胶激光雷达比假设值与计算值相差越大, 气溶胶消光系数和斜程能见度的相对误差绝对值也越大, 最大误差分别为18.93%和19.90%.
斜程能见度 激光雷达 粒子群优化算法 Fernald法 激光雷达比 消光系数边界值 气溶胶光学厚度 Slant visibility Lidar Particle swarm optimization method Fernald method Lidar ratio Extinction coefficient boundary value Aerosol optical depth
1 中国民航大学 天津市智能信号与图像处理重点实验室, 天津 300300
2 中国民航大学 空管研究院, 天津 300300
3 中国民航大学 工程技术训练中心, 天津 300300
为了有效识别光纤周界系统的振动信号, 提出一种多重分形谱参数和改进概率神经网络相结合的光纤振动信号识别方法.该方法能够避免特征提取过程中需要选择经验阈值和模式识别过程中需要确定平滑因子的不足.首先, 检验分析光纤振动信号多重分形的存在性和有效性.然后, 计算和提取光纤振动信号的多重分形谱参数, 构成能够准确描述信号非线性和复杂性特性的特征向量.最后, 采用改进的概率神经网络算法进行自适应地学习和分类, 实现对不同光纤振动信号的识别.采用现场实验采集的四种振动信号对该方法进行验证, 结果表明, 平均识别率达到96.25 %, 识别时间为1.63 s.该方法在正确识别率方面优于传统的概率神经网络算法.
光纤光学 信号识别 多重分形谱 模拟退火算法 概率神经网络 Optical fiber of the light Signal recognition Multi-fractal spectrum Simulated annealing algorithm Probabilistic neural network
