低信噪比下相干多普勒激光雷达风场矢量反演算法

为了能在低信噪比情况下获得高精度矢量风速,采用非线性最优化理论中的序列二次规划(SQP)求解滤波正弦波拟合(FSWF),实现了速度方位显示(VAD)算法中矢量风场的反演。基于模拟数据进行仿真实验,以反演结果的均方根误差作为评价指标,对比直接正弦波拟合(DSWF)和SQP-FSWF两种算法,结果表明在低信噪比条件下SQP-FSWF算法的反演效果优于DSWF算法。在FSWF计算中,基于风场反演结果的时空连续性,对比SQP算法和无约束最优化算法中的拟牛顿法,结果表明,SQP算法在低信噪比下效果更好。开展了激光雷达和探空气球的风场测量对比实验,获取了真实的激光雷达回波信号和同步探空气球数据,以进一步评估算法的可靠性。实验结果显示,SQP-FSWF算法得到的风速反演结果,同作为对比对象的探空气球的测量结果(水平风速、水平风向),两者间的相关系数分别为0.993和0.988,平均误差分别为0.2 m/s和3.28°,均方根误差分别为0.28 m/s和4.62°。对比分析反演结果的时空连续性发现,所提出方法在低信噪比下时空连续性更好,与模拟数据实验结果的效果表现一致。