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专利号: 2024114144327
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)读取经过预处理的单个信号功率谱为 ,其中,f、k分别表示离散频率点和距离门,表示激光雷达探测仰角;

(2)计算每个距离门投影高度的信号谱宽;

(3)计算湍流谱宽 ;

(4)计算给定预设时间窗口内计算湍流谱宽的均值和方差;

(5)分别根据湍流谱宽均值和方差廓线,识别混合层高度;包括以下步骤:(51)使用设定的阈值判断混合层的高度;通过设定谱宽方差的阈值,利用谱宽方差廓线识别混合层高度;谱宽均值和方差的阈值均设为1m/s;

(52)使用梯度法识别混合层高度;利用湍流谱宽均值和方差廓线的梯度变化,寻找湍流谱宽均值和方差随着高度递减最快时所对应的拐点高度即梯度最大值点,确定为混合层高度。

2.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法,其特征在于,步骤(2)具体如下:首先在给定带宽范围 内,从功率谱 中提取峰值,以及峰值所对应的频率 ,计算每个距离门k的谱宽,公式如下:;

其中, 为激光雷达探测波长, 为预设信号积分范围;根据不同探测的仰角将探测距离信息投影到垂直高度上,得到不同高度上的谱宽,公式如下:;

其中, , 为距离门k所对应的探测目标与激光雷达之间的实际径向距离,h为径向距离在垂直方向上的投影高度。

3.根据权利要求2所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法,其特征在于,步骤(3)公式如下:;

其中, 表示发射激光脉冲的频谱宽度, 表示拍频信号截断的窗函数频谱宽度;分别通过预设的发射脉冲时域宽度和信号截断的时间窗长度计算得到; 为 的平方。

4.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法,其特征在于,步骤(4)具体如下:对同一高度层 ,在设定时间窗口 通过以下公式计算得到湍流谱宽均值 和方差 随高度h变化的廓线:;

其中, 表示预设时间窗口 内的不同时刻,N表示时间窗口内的探测数据个数;预设时间窗口 的长度取决于数据的时间分辨率和大气湍流运动的空间变化尺度。

5.一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统,其特征在于,包括:读取模块:读取经过预处理的单个信号功率谱为 ,其中,f、k分别表示离散频率点和距离门,表示激光雷达探测仰角;

信号谱宽模块:计算每个距离门投影高度的信号谱宽;

湍流谱宽模块:计算湍流谱宽 ;

均值和方差模块:计算给定预设时间窗口内计算湍流谱宽的均值和方差;

识别模块:分别根据湍流谱宽均值和方差廓线,识别混合层高度,具体如下:使用设定的阈值判断混合层的高度;通过设定谱宽方差的阈值,利用谱宽方差廓线识别混合层高度;

谱宽均值和方差的阈值均设为1m/s;使用梯度法识别混合层高度;利用湍流谱宽均值和方差廓线的梯度变化,寻找湍流谱宽均值和方差随着高度递减最快时所对应的拐点高度即梯度最大值点,确定为混合层高度。

6.根据权利要求5所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统,其特征在于,信号谱宽模块中,具体如下:首先在给定带宽范围 内,从功率谱 中提取峰值 ,以及峰值所对应的频率 ,计算每个距离门k的谱宽,公式如下:;

其中, 为激光雷达探测波长, 为预设信号积分范围;根据不同探测的仰角将探测距离信息投影到垂直高度上,得到不同高度上的谱宽,公式如下:;

其中, , 为距离门k所对应的探测目标与激光雷达之间的实际径向距离,h为径向距离在垂直方向上的投影高度。

7.根据权利要求6所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统,其特征在于,湍流展宽模块中,公式如下:;

其中, 表示发射激光脉冲的频谱宽度, 表示拍频信号截断的窗函数频谱宽度;分别通过预设的发射脉冲时域宽度和信号截断的时间窗长度计算得到; 为 的平方。

8.根据权利要求5所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统,其特征在于,均值和方差模块中,具体如下:通过以下公式计算得到湍流谱宽均值 和方差 随高度h变化的廓线:;

其中, 表示预设时间窗口 内的不同时刻,N表示时间窗口内的探测数据个数;预设时间窗口 的长度取决于数据的时间分辨率和大气湍流运动的空间变化尺度。