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Coherent Doppler wind lidar with real-time wind processing and low signal-to-noise ratio reconstruction based on a convolutional neural network

Kliebisch, Oliver und Uittenbosch, Hugo und Thurn, Johann und Mahnke, Peter (2022) Coherent Doppler wind lidar with real-time wind processing and low signal-to-noise ratio reconstruction based on a convolutional neural network. Optics Express, 30 (4), Seiten 5540-5552. Optical Society of America. doi: 10.1364/OE.445287. ISSN 1094-4087.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
10MB

Offizielle URL: https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-4-5540&id=469231

Kurzfassung

Multi-classification using a convolutional neural network (CNN) is proposed as a denoising method for coherent Doppler wind lidar (CDWL) data. The method is intended to enhance the usable range of a CDWL beyond the atmospheric boundary layer (ABL). The method is implemented and tested in an all-fiber pulsed CWDL system operating at 1550 nm wavelength with 20 kHz repetition rate, 300 ns pulse length and 180 µJ of laser energy. A real-time pre-processing using a field programmable gate array (FPGA) is implemented producing averaged lidar spectrograms. Real-world measurement data is labeled using conventional frequency estimators and mixed with simulated spectrograms for training of the CNN. First results of this methods show that the CNN outperforms conventional frequency estimations substantially in terms of maximum range and delivers reasonable output in very low signal-to-noise (SNR) situations while still delivering accurate results in the high-SNR regime. Comparing the CNN output with radiosonde data shows the feasibility of the proposed method.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/146908/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Coherent Doppler wind lidar with real-time wind processing and low signal-to-noise ratio reconstruction based on a convolutional neural network
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Kliebisch, Oliveroliver.kliebisch (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-0817-8914NICHT SPEZIFIZIERT
Uittenbosch, HugoHugo.Uittenbosch (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Thurn, JohannJohann.Thurn (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mahnke, PeterPeter.Mahnke (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2022
Erschienen in:Optics Express
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:30
DOI:10.1364/OE.445287
Seitenbereich:Seiten 5540-5552
Verlag:Optical Society of America
ISSN:1094-4087
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Wind-Lidar,Lidar,Laser,FPGA,Fasern,Lichtwellenleiter,Neuronale Netzwerke,Machine Learning,CNN,Convolutional Neural Networks
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Komponenten und Systeme
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L CS - Komponenten und Systeme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Flugzeugsysteme
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Physik > Festkörperlaser und Nichtlineare Optik
Hinterlegt von: Kliebisch, Oliver
Hinterlegt am:09 Feb 2022 13:45
Letzte Änderung:29 Nov 2022 09:24

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