相干激光雷达风切变预警及类型识别算法研究

论文摘要

低空风切变是指在600m高度以下短时间、小尺度范围内风速或风向急剧变化的大气现象,它严重影响航空器起降及飞行安全。相干激光雷达能在晴空条件下对大气风场实现精确测量,是民航机场检测风切变的有效工具。论文主要从检测风切变和风切变类型识别两个方面进行研究,设计实现相干激光雷达风切变预警算法和类型识别算法。首先,对传统风切变预警算法可能存在的误差进行分析,提出基于主成分分析和相位差校正法的风切变预警算法。分别利用旋转电机实验数据和小型飞机实验数据对算法有效性及可行性进行评估。结果表明,采用此算法估计相干激光雷达回波信号峰值频率的平均绝对误差为0.26MHz,对实际低空风切变的预警率为92.31%。此算法可以有效降低相干激光雷达回波信号频率估计误差,实现低空风切变预警。然后,针对相干激光雷达实测低空风切变信号图像类型较少且难以获取的问题,文中采用流体计算软件数值模拟仿真三维低空风切变风场。再通过相干激光雷达扫描方式扫描得到径向速度数据构成风切变信号图像,扩充低空风切变信号图像类型。最后,为了有效提取激光雷达低空风切变信号图像特征,提出基于深度卷积神经网络的多层特征提取及自适应融合算法。利用此算法对仿真的激光雷达低空风切变信号图像样本库数据进行图像特征提取,通过支持向量机进行类型识别实验。结果表明,采用此算法进行低空风切变图像类型识别的平均识别率为98.1%,平均识别时间为0.29s。此算法能有效提取图像特征,实现低空风切变类型识别。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 相干激光雷达风切变预警技术研究现状
•   1.3 低空风切变类型识别算法研究现状
•   1.4 本文工作内容和结构安排
• 第二章 相干激光雷达风切变预警算法
•   2.1 引言
•   2.2 相干激光雷达系统测风原理
•     2.2.1 相干激光雷达系统组成
•     2.2.2 风速测量原理
•   2.3 风切变预警算法
•     2.3.1 主成分分析法（PCA）原理
•     2.3.2 相位差校正法原理
•     2.3.3 基于主成分分析和相位差校正的风切变预警算法
•   2.4 相干激光雷达风切变预警算法实验研究
•     2.4.1 旋转电机实验设计方案
•     2.4.2 基于旋转电机实验数据的风切变预警算法有效性验证
•     2.4.3 小型飞机实验设计方案
•     2.4.4 基于小型飞机实验数据的风切变预警算法可行性验证
•   2.5 本章小结
• 第三章 相干激光雷达低空风切变图像仿真
•   3.1 引言
•   3.2 不同类型风切变对航空器飞行起降的影响
•   3.3 三维低空风切变风场模型的构建
•   3.4 模拟相干激光雷达扫描探测
•     3.4.1 相干激光雷达扫描方式
•     3.4.2 相干激光雷达风切变图像扫描
•   3.5 本章小结
• 第四章 相干激光雷达风切变类型识别算法研究
•   4.1 引言
•   4.2 常见的传统图像特征
•     4.2.1 局部二值模式（LBP）特征
•     4.2.2 灰度-梯度共生矩阵（GGCM）特征
•   4.3 基于卷积神经网络的多层特征提取及自适应融合算法
•     4.3.1 深度卷积神经网络（DCNN）工作原理
•     4.3.2 基于深度卷积神经网络的多层特征提取
•     4.3.3 多层特征预处理及自适应融合
•   4.4 支持向量机类型识别工作原理
•   4.5 实验及结果分析
•   4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 本文工作总结
•   5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈楠

导师: 熊兴隆

关键词: 相干激光雷达,风切变预警,类型识别,主成分分析,卷积神经网络

来源: 中国民航大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 气象学,航空航天科学与工程,电信技术

单位: 中国民航大学

基金: 国家自然科学基金(项目批准号:U1833111),国家自然科学基金(项目批准号:U1533113),中央高校项目(项目批准号:3122018D001)

分类号: V321.225;TN958.98

DOI: 10.27627/d.cnki.gzmhy.2019.000080

总页数: 63

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