直接探测多普勒测风激光雷达
激光雷达测风技术(4)

矢量风速反演方法
1. 矢量风速V (u, v, w) 是少需要三个独立的径向速度估计 2. 理想情况下:矢量风速应该在空间某一点同时测量出它的三个方 向的速度值,即至少需要三部激光雷达系统 3. 实际情况下:确定风场的水平方向,利用激光雷达的扫描技术确 定风速的矢量。常用以下两种扫描技术: – 速度方位显示扫描技术(Velocity-azimuth-display, VAD),即激 光雷达光束以固定倾角进行圆锥形扫描 – 多普勒光束定向摆动扫描技术(Doppler-Beam-Swinging, DBS),即点激光雷达光束垂直指向并向东倾斜和向北倾斜
Laser
I − IL 1 ν d = ν −ν L = I 0 T ' (ν L )
ν
ν0 ν νL
T2(ν)
T1(ν) I01 Intensity
Backscattered signal IL I02 Laser
νd =
ν
1 I0
I 01 − I L I 02 − I L 1 I 01 − I 02 − & = T1 ' (ν L ) T2 ' (ν L ) I 0 T ' (ν L )
ν 中心 20
Etalon 1
Etalon 2
双通道F -P 标准具
Frequency
航天学院
NASA/Goddard车载测风激光雷达 车载测风激光雷达
参 数 激光器:波长 脉冲能量 重复频率 望远镜:口径 FOV 扫描方式 测量范围 距离分辨率
指 标 355nm 70mJ 50Hz 45cm 0.2mrad XY双轴半空间 1.8~35km 0.25km@<3km 1km@>3km
基于双FP标准具的直接探测测风激光雷达

文中简要回顾了双边缘测风技术,描述了测风激光雷达的系统结构与系统控制,给出了风场观测结果。
第35卷,增刊
V01.35 Supplement
红外与激光工程
Infrared and Laser Engineering
2006年10月
0ct.2006
基于双F—P标准具的直接探测测风激光雷达
夏海云1一,孙东松2,沈法华2,董晶晶2,钟志庆2,王邦新2,周小林2,李颖颖2
(1.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京100083: 2冲国科学院安徼光学精密机械研究所,安徽合肥230031)
增刊
夏海云等:基于双F—P标准具的直接测风激光雷达
响应函数为:
砌)=焉乙(u)
(5)
式中:rlp)、乞(u)分别为气溶胶信号对应于双通道F-P标准具的透过率。测量灵敏度p定义为单位速度引
起的系统响应函数的相对变化:
p:上坚:土韭一上堕
(6)
户’du
fl dD
du
f2
当采用光子计数探测方式时,暗计数噪声很小,夜间信号主要受自身最子涨落的影响。基于大气气溶胶
受雷雨天气影响,12:40时的有效探测高度为1.7 km,12:50的有效探测高度仅为1.5 km。从比较结果 米看:12:40时,激光雷达测得的水平风速和风向与风廓线仪测得结果较一致。然而12:50时,在O.8~1.3 km 高度,两者测得的风向偏差较大。这可能是两者的时间分辨率不同引起的:测风激光雷达完成‘个周期扫描 的时间为4.5 min(每个径向3 000发脉冲累计),风廓线仪的时间分辨率为lO min,若在这段时l’ⅡJ内发生低空
基于双Fabry—Perot标准具的双边缘测风激光雷达系统

基于双Fabry—Perot标准具的双边缘测风激光雷达系统【摘要】本文明确了全球大气风场观测的重要性,较为详细地介绍了测风的基本原理、基于双Fabry-Perot标准具的双边缘测风激光雷达的系统结构和技术参数。
明确了测风系统回波数据的处理方法及风速测量的误差计算。
该风速反演方法和误差估算方法的可行性已经被实验验证。
【关键词】激光雷达;风速反演;Fabry-Perot标准具;直接探测0 引言大气风场是气象学研究、气候研究和大气科学中最重要的参数之一。
高精度、高分辨率的全球大气风场观测在气象研究、天气预报、大气环境监测和国防高技术战略战术武器系统的气象保障、靶场气象条件检测等方面都具有广泛的应用。
与其它风场测量手段相比,直接探测多普勒测风激光雷达是目前唯一能够实现对全球范围的三维风场进行高精度、高时空分辨率探测的工具。
而基于Fabry-Perot 标准具的双边缘技术是迄今最成熟、最有效的直接多普勒探测方法,它能够实现从地面到平流层范围的风场探测。
1 多普勒测风激光雷达概述多普勒测风激光雷达属于主动测量系统,它向大气发射激光脉冲并测量不同高度上返回信号的多普勒频移,从而实现对大气风场的观测。
多普勒频移是散射物体沿激光雷达径向的相对运动产生的,对应于测量体积的平均速度。
测量体积是由最大积分长度、高度分辨率和激光束宽度决定,并沿预定的不同方向上交替地连续测量。
激光雷达探测的回波信号主要来自于大粒子的米散射和大气分子的瑞利散射。
对于米后向散射,多普勒频移光的散射谱近似等于发射激光的频谱,只是由于在测量体积内风的变化会有略微的展宽;对于分子散射,空气分子的布朗运动是主要的散射谱展宽原因,其宽度相当于风速为几百米/秒的多谱勒频移,因此平均空气运动产生的多普勒频移只占谱宽的一个非常小的部分,这比气溶胶散射小很多。
所以在相同径向速度情况下分子散射需要更大的信号,但是分子散射信号与气溶胶散射相比波长依赖关系不同。
分子散射与波长的四次方的倒数成正比,而气溶胶散射则近似与波长的1.3次方的倒数成正比,所以分子散射在短波长有较大的信号强度,而气溶胶散射则在长波长的信号较强。
基于Fabry-Perot标准具的多普勒测风激光雷达

ZHOU a l . Xi o- n ZHOU un i J
测 了对 流层 三 维风 场分 布 。 绍 了多普 勒测风 激 光 雷达的 总体 结构 和技 术参 数 , 为 详 细地叙 述 了各 介 较
部分 的 结构及 其功 能 , 并给 出 了合 肥地 区对流 层 径 向风 速 的初 步 探 测结 果 。结 果表 明 。 该激 光 雷达 系
统性 能稳 定 , 晚的探 测 高度 可 以达到 9k 夜 m。
维普资讯
第3 5卷 第 6期
V0 .5 No6 1 . 3
红 外 与 激 光 工 程
I fa e n s r gn e ig n rr da dLa e ie rn En
20 0 6年 l 2月
De . O 6 c2O
基 于 F by P rt 准 具 的 多普 勒测 风 激 光 雷 达 a r -eo 标
关键 词:激光 ; 雷达 ; 风 ; 多普 勒 ; FbyP rt 准 具 ar -e 标 o
中 闺分类 号:N9 82 T 5. 文 献标识 码 : A 文章编 号:0 7 2 7 (06 0 — 6 7 0 1 0 — 2 62 0 )6 08 — 4
Do p e n d r b s d o a r - r te a o p lr wi d l a a e n F b y Pe o t l n i
a o t9 kn a i h . b u i tn g t Ke r s i a ; W i d Do p e ; F b y P r teao y wo d :L d r n ; p lr a r - e o tl n
多普勒测风激光雷达系统.pdf

49多普勒测风激光雷达系统1.研究背景大气风场信息是一项重要的资源,精确可靠的大气风场测量设备可提高风电可再生能源领域的利用率,改进气候气象学模型建立的准确性,增强飞行器运行的安全性,因此在风电、航空航天、气候气象、军事等领域都有着重要的意义。
风场信息测量的手段主要分为被动式和主动式两大类。
传统的被动式测量装置有风速计、风向标和探空仪,主动式测量装置有微波雷达、声雷达等。
风速计和风向标只能实现单点测量,借助测风塔后实现对应高度层的风场信息检测,这类传统装置易受冰冻天气影响,测风塔的搭建和维护也需要花费大量的人力物力,还存在移动困难和前期征地手续复杂等问题;微波雷达以电磁波作为探测介质,由于微波雷达常用波长主要为厘米波,与大气中的大尺寸粒子(如云、雨、冰等)相互作用产生回波,无法与大气中的分子或气溶胶颗粒产生作用,而晴空时大气中大尺寸粒子较少,因此微波雷达在晴空天气条件下将出现探测盲区。
另外,微波雷达还具备庞大的收发系统也导致其移动困难;声雷达与微波雷达测量原理相似,不同的是将探测介质由微波改为了声波。
声雷达的探测方式使得在夜间和高海拔地区易出现信噪比降低的情况甚至无法测量。
因此,迫切需要补充新型的风场测量手段替代传统测风装置实现大气风场信息的测量。
2. 测风激光雷达系统2015年,南京牧镭激光科技有限公司成功研制出国产化测风激光雷达产品Molas B300,该产品基于多普勒原理可实现40~300 m 风场信息测■ 黄晨,朱海龙,周军 南京牧镭激光科技有限公司第一作者 黄晨量,风速测量精度可达0.1 m/s ,风向测量精度可达1°,数据更新率为1 Hz ,风速测量范围可达0~60 m/s 。
测风激光雷达定位为外场应用装备,对环境适应性有较高要求,Molas B300可在外界温度范围为-40℃~50℃,相对湿度为0%~100%的环境条件下正常工作。
除此以外,Molas B300体积小质量轻(约50 kg )方便运输安装便捷,可显著降低项目前期施工时间。
科技成果——激光测风雷达

科技成果——激光测风雷达技术开发单位中国兵器工业集团公司第二〇九研究所技术简介激光多普勒测风雷达是利用大气中随风飘移的气溶胶对激光散射的多普勒频移效应,来测量大气风场结构分布的一种现代光电技术。
其主要特点是采用光学方法,对测量空域的大气风场进行非接触式实时三维测量,具有响应快、精度高、空间分辨率高、体积小、结构紧凑等特点,在风力发电站、短期气象监测及预报、大气环境监测等方面具有广泛的应用前景,是一种新型、高效的气象条件测量系统。
激光多普勒测风雷达采用相干探测原理,利用人眼安全的1550nm激光作为照射光源,通过接收激光束对大气中随风飘移气溶胶的散射回波信号并与雷达本振光进行相干混频,并通过中频信号的数字鉴频技术来获得汽溶胶相对激光束的多普勒频移,结合雷达的光机扫描,最终实现对大气风场信息的测量。
该技术包括系统总体技术、激光发射技术、高效灵敏接收技术、大气风场实时信息处理及风场反演技术等。
上述关键技术已经得到突破,系统中的主要核心部件均已实现国产化。
该技术可用于风力发电站行业,代替传统的测风塔,实现对风机选址地点的常年观测,同时,还可以安装于风机机舱顶部,实现对风机前方大气风场的实时监测,为风机运行工作提供修正参数,以提高产量。
同时改进型的二维扫描激光测风雷达,可以实现对大气风场的全覆盖监测,获得大气风廓线及大气风场的PPI、RHI及CAPPI等扫描产品,以及飞机起降通道的大气风切变、迎头风、跑道横风等产品,以保障飞机起降安全。
技术指标工作波长:1550nm;测量高度(距离)范围:10-200m/50-3000m;风速范围:0-50m/s;风向范围:0-360度;风速精度:0.3m/s;风向精度:5度。
技术特点采用全光纤相干光路,环境适应能力强;主要部件采用全国产化器件,工作可靠。
技术水平国际先进可应用领域和范围风力发电、民用航空气象保障等专利状态已取得专利1项技术状态试生产、应用开发阶段合作方式合作开发投入需求1000万元转化周期1-2年预期效益近年来对风力发电行业方兴未艾,国家大力投入,各地区建立了诸多风力发电厂。
多普勒测风雷达研究进展

嚣 面
图3 AL I 仪 器 核 心 部 件 AD N
水 平 分 辨 率 径 向 风 场 随 即 误 差
径 向风 速 偏 差 ( 正 后 ) 校
5 பைடு நூலகம் f 复 每2 0 k 1 0k 重 0 m
<lm/@ 0 m. < s ~1 m s  ̄2 k 2 m/ @2 6 k
第 2 卷 第 1 期 7 O
Vo _7 NO 1 l 2 .0
多普 勒测风雷达研究进展
摘 要 :大气激光 多普勒设备 (L D N A A I)作为大气动 态任务—— 风神计划 的有效载荷 ,可 以提 供全球 风场的
直接测量 。它能够提供与卫星速度 矢量 垂直的风速成分。该设备是 工作在 紫外波段 的 多普勒 雷达 .将是首例
可以覆盖整个 所关注 的高度范 围 。该仪 器 的设计 为
图 2 测 量 几 何 构 型
将来在轨运行任务做好了铺垫 。
AAD N由两个模块组成 :位 于平 台外面 的仪器 I I
上述 测量范 围要求 该仪器发 射激光工作 在 占空 比 2 %的脉冲模式 ,而且可以节约功率 消耗 。 5 风速 测量范 围从地 面 以上一 直延伸 到 3 m高 0k
设备指 向离地心 3 。 5位置 ,这样 可以折 衷径向风场测
表 1 主 要 任 务 参 数 需 求
风 场 测量 范 围 垂 直 分 辨 率
1k @ 2 6 k m  ̄1 m, 2 k m@ > 6 k 1 m
取 值
O 0k ~3 m 05 k @ O 2 k . i n ~ m.
光 雷达 .图 1 显示 了携带该载荷 的风神卫 星艺术构 想 图。 当前 ,三维 风场测量在 不同的地 区还不够完 善 ,给天 气 预报 和 气象 建 模 带来 一 定 困难 。来 自 A M —风神计划 的风场数据有 望证 明在数 值天气 D—
激光测风雷达介绍

激光测风雷达供应商:
型号:Molas B300 制造商:南京 价格:65万左右 产品参数:测量精度(0.1m/s)、采样频率(1s),测量 范围为40-300m; 产品尺寸:520*420*550mm,产品重量<50KG
激光测风雷达供应商:
4、北京
型号:WindDR 制造商: 价格:60万左右 产品参数:产品测量精度(0.2m/s)、采样频率(0.1s), 测量范围为30-300m; 产品尺寸:560*570*550mm,产品重量约45KG
激光测风雷达使用场景:
3、结冰地区的补充测风
我国湖南、贵州、广西等地区湿度大,存在冰冻现象, 测风塔一方面有倒塔风险,另一方面因传感器附冰而影响 风速数据的测试精度,造成测量数据缺失或数据质量降低 的问题,利用激光雷达补充测量可有效解决因冰冻导致的 数据测量问题,为机组配置提供可靠气象条件数据输入。
激光测风雷达使用场景:
4、高空风廓线测量
随着近年来风电机组日渐大型化,测风塔高度已难以 满足现有机组轮毂高度要求。激光雷达可满足40m~300m高 度测量,利用激光雷达测量风廓线,可测量风机扫风面从 下叶尖到上叶尖的实际风廓线。
激光测风雷达使用场景:
5、海上风资源评估
目前,海上风电场前期测风仍主要采用海上测风塔方 式。海上测风塔具有造价成本高、维护成本高、测量限制 因素多(塔影效应、测量高度、传感器数量)等问题。而 激光雷达的便携性,则为上述问题提供了一种新的解决方 案。
要求,仅通过测风塔数据模拟得到的结果存在很大差异。 而通过激光雷达在风险区域实地测量,结合现有测量结果 和软件模拟对比,将有效识别风险区域的真实性,规避潜 在风险。
激光测风雷达使用场景:
2、功率曲线验证
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
直接探测多普勒测风激光雷达
引言
风是研究大气动力学和气候变化的一个重要参量,利用风的数据,可以获得大气的变化,并预见其改变,促进人类对能量、水、气溶胶、化学和其它空气物质圈的了解,提高气象分析和预测全球气候变化的能力。
目前的风场数据主要来源于无线电探空测风仪、地面站、海洋浮标、观测船、飞行器以及卫星,它们在覆盖范围和观测频率上都存在很大限制。
对全球进行直接三维风场测量已经提到日程上来,世界气象组织提出了全球范围的高分辨率大气风场数据的迫切需要,迄今为止,多普勒测风激光雷达是唯一能够获得直接三维风场廓线的工具,具有提供全球所需数据的发展潜力[1]。
激光雷达是探测大气的有力工具,随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测、数据采集以及控制技术的发展,激光雷达技术的发展也日新月异。
多普勒测风激光雷达具有实用性、高分辨率和三维观测等优点,是其它探测手段难以比拟的[2, 3, 4]。
新研制的1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达,利用双边缘技术对对流层三维风场进行探测[5]。
本文介绍了该激光雷达
的总体结构及其各部分的功能,并对其探测对流层风场的初步结果进行了分析和讨论。
1 总体结构和技术参数
1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达从整体上由激光发射单元、二维扫描单元,回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元及控制单元五部分组成,其结构示意图和外观照片分别见图1和图2,主要的技术参数见表1。
激光发射单元、回波信号接收单元、信号探测和数据采集单元放置在光学平台上,保证其光学稳定性。
Nd:YAG激光器的中心波长是1064 nm,工作在此波长,可以有较大的激光输出功率,并且气溶胶的后向散射截面比较大。
脉冲重复频率为50 Hz,可以节省探测的时间,能捕捉短时间内风速的变化,有利于提高风速探测的准确度。
同时,激光器内部注入种子激光可以保证激光器的频率稳定。
二维扫描单元安置在实验房的房顶,接收望远镜的上方。
由两个镀有1064 nm 波长全反的介质膜的平面反射镜、水平旋转机构和垂直旋转机构组成的大口径光学潜望式结构。
通过软件控制或者手动调节能够全方位扫描,水平方向可以旋转0o至360o,垂直方向可以旋转0o至180o。
进行常规探测时采用四波束法,水平方位依次按照0o、90o、180o和270o四个方位探测,即东、南、西和北四个方位,工作仰角为45o。
接收望远镜在二维扫描单元的正下方,有效通光口径为300 mm,如图1所示。
主镜镀有1064 nm波长全反的介质膜,反射率高达99%。
望远镜接收的大气后向散射回波信号耦合至光纤,由光纤导入到准直镜后成为平行光,经过压制背景光的窄带滤光片后,由20%反射、80%透射的分束片分成两部分。
20%的反射信号作为能量探测,由直角反射棱镜分成两束,分别由光子计数探测器接收;80%的透射信号作为信号探测,经过双Fabry-Perot标准具的两个通道后,由于透过率的不一样,得到强度不等的两束光信号,由直角反射棱镜分为两束,由相应的光子计数探测器接收。
四个光子计数探测器分别将光信号转换为电信号后,输入光子计数卡内,最后由工控机中的主程序对采集的数据进行储存和处理,并实时显示测量的信号强度廓线、风速和风向。
控制柜内安装有工控机,其内安装的1064nm直接探测多普勒测风激光雷达的系统运行控制软件通过RS232串口控制激光器、二位扫描单元和双Fabry-Perot标准具工作,起着系统的整体协调作用。
控制柜内还有双Fabry-Perot标准具的控制器CS100、二位扫描单元的控制器、门控装置以及同轴系统对光时使用的监视器和各部件的电源。
2 双Fabry-Perot标准具的透过率响应曲线的测量
1064nm直接探测多普勒测风激光雷达的关键技术之一就是采用高分辨率的双Fabry-Perot标准具,它在一对基板上通过镀膜或沉积方式形成两个面积和大小相同的半圆形干涉仪,根据镀膜的厚度可以形成标准具的两个通道频谱中心分离,形成透过率响应曲线的交叠。
由于它们固定在一个基板上,双Fabry-Pero 标准具的两个通道的中心频率的相对位置受温度的漂移变化相同,保证标准具的频谱中心间隔大小恒定。
双Fabry-Perot标准具的透过率曲线的测量是通过系统运行控制软件的CS100控制子程序对其腔长大小的控制,从而得到频率与透过率的对应曲线。
图3是2005年4月27日19:04,500个脉冲累加平均测量得到的双Fabry-Perot 标准具的透过率曲线,通道一(实圆点)与通道二(虚圆点)的频谱中心间隔为228.2 MHz,半宽度分别为 205.0 MHz和224.3 MHz,实曲线与虚曲线分别为两通道的相应拟合曲线,其峰值透过率分别为73.7% 和70.8%,测量结果与表1对应的技术参数基本一致。
&
nbsp;
由于环境因素引起光学单元和电子器件的漂移,而且操作人员的活动可能引起接收机部件的振动而造成双Fabry-Perot标准具的腔长漂移,以及激光器长时间工作引起频率的漂移,都对标准具透过率曲线的测量产生影响。
为了检验双
Fabry-Perot标准具的性能,从2005年4月24日至2005年5月15日内,进行了8次测量,透过率响应曲线如图4,实曲线和虚曲线分别对应通道一和通道二的透过率响应曲线。
从图中可以看出,虽然时间相距21天,但是8组透过率响应曲线的重合度很好,说明系统的稳定性很好。
3 对流层风场的初步结果
图5给出了1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达2005年4月20日17:18在合肥地区测量到的0.48 km至3 km的风廓线。
图中虚圆点和实圆点线分别是二维扫描单元指向东和西测量得到的风廓线,由于当天是东风,向东方向测量得到的多普勒频移为正值,对应的风速亦为正值;向西方向测量得到的多普勒频移为负值,对应的风速则为负值,且二者在不同高度上的风速体现了较好的一致性,这表明大气风场在测风激光雷达探测时间内不同高度上的风向和风速都没有什么大的变化。
图6给出了1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达2005年9月10日晚上在同一地点探测得到的径向风速的廓线。
该激光雷达的二维扫描单元工作仰角45o,方位指向东,距离分辨率为30m,进行了10000个脉冲累加平均。
可以看出连续测量的3组数据趋势基本一致,从
2km至8km风速变化不大,大气相对运动比较稳定,大体呈现一个增加趋势,在
8 km左右达到一个最大风速约15 m/s。
8km以上,风速呈现递减趋势。
夜晚的探测距离可以达到9km。
4 结束语
介绍了自行研制的1064 nm直接探测多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数,系统地叙述了各部分的结构和功能。
该激光雷达正在合肥进行对流层径向风速的初步探测,并取得了初步的测量结果。
实验结果表明该激光雷达系统性能稳定,夜晚的探测高度可以达到9km。
它的成功研制为进一步开展各领域内测风激光雷达的开发与应用奠定了坚实的技术基础。
参考文献
1 Paul Ingmann, Status of the Doppler WindLidar Profiling Mission ADM-Aeolus[], ESA Report, July, 1999, SP-1233(4).
2 Chanin, M. L., A. Garnier, A. Hauchecorne, J. Porteneuve, A Doppler lidar for measuring winds in the middle atmosphere, Geophys.Res.Lett.,1989, 16:1273-1276.
3 McGill, M. J., W.R. Skinner and T.D.Irgang, Validation of wind profiles measured using incoherent Doppler lidar. Appl. Opt., 1997, 36:1928-1939.
4 Friedman, J. S. , C Tepley, P. Castleberg and H. Roe, Middle-atmosphere Doppler lidar using a iodine-vapor edge filter, Opt.Lett. 1997, 22:1648-1650.
5 孙东松,钟志庆,迟如利等.1.06um直接接米散射测风激光雷达的性能分析.激光与红外,2004,34(6): 412-514。