激光雷达测风技术(4)
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
激光雷达测风原理
激光雷达测风原理
嘿，朋友们！今天咱来唠唠激光雷达测风原理。
你说这激光雷达测风，就好像是给风拍了个超级特写！
咱先想想，风这玩意儿，看不见摸不着，就像个调皮的小精灵，到处乱跑。
那怎么才能抓住它的小辫子呢？激光雷达就出马啦！它就像是个超级侦探，用一束束激光去探寻风的秘密。
激光雷达会发射出激光束，这束光就快速地往前冲啊。
当它碰到空气中的颗粒物啥的，就会反射回来。
这一去一回的时间，激光雷达就能算出距离啦。
然后呢，通过不断地发射和接收，就能知道这些颗粒物移动的速度和方向。
嘿，这不就相当于知道风的情况了嘛！
你看啊，这就好比你在操场上看着同学们跑来跑去，你虽然不能直接抓住他们，但你可以通过观察他们跑过一段距离所用的时间，来大概知道他们跑得多快，往哪个方向跑。
激光雷达测风不就是这么个道理嘛！
而且啊，激光雷达可厉害着呢，它能探测到很高很远的地方的风。
就好像它有一双千里眼，不管风藏在哪个角落，它都能找到。
这多牛啊！
想象一下，如果没有激光雷达，我们对风的了解就会少很多，那很多事情可就不好办啦。
比如说那些靠风发电的大风车，要是不知道风的情况，怎么能好好发电呢。
还有飞机飞行，要是不了解风，那多危险呀。
激光雷达测风原理，真的是给我们打开了一扇了解风的神奇大门。
它让我们能更准确地掌握风的动态，更好地利用风的力量，也能让我们在面对风的时候更加从容不迫。
所以说啊，这激光雷达测风原理可真是个了不起的东西！它就像一把神奇的钥匙，解开了风的神秘面纱，让我们能和这个看不见的小精灵更好地相处，为我们的生活带来更多的便利和安全。
咱可得好好珍惜和利用这个厉害的技术呀！。
相干激光测风雷达风场测量技术
ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｈ ｔ ｎ ａ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｗｉ ｎ ｄ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｔ ｈｅ ｔ ｔ ｏ ｐ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｔ ｏ ｗｅ ｒ（ １ ０ ３ ｍ ｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ）ａ ｎｄ ａ ａ ｉ ｒ
潘静岩 ， 邬双阳， 刘 果， 董光 焰 ， 张鹏 飞 ， 陈 静
（ 中 国电子科技 集 团公摘 要 ： 研 发 了一套 全 光纤化 相 干 多普 勒 激 光 测风 雷达 设 备 ，并 已作 为 试验 样机 应 用 于 ＸＸ Ｘ 工程
的风 场测 量工 具之 一 。
关 键 词 ：相 干激 光测 风 雷达 ； 相 干探 测 ； 指标 测 试
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｎ９ ５ ８ ． ９ ８ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ７ — ２ ２ ７ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ —１ ７ ２ ０ — ０ ５
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｎ ａ ｌ ｌ － ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｃ ｏ ｈ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｄ ｏ ｐ ｐ ｌ ｅ ｒ ｌ ｉ ｄ ａ ｒ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ， ａ ｎ ｄ ｈ ａ ｄ ｂ ｅ ｅ ｎ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｔ ｏ Ｘ Ｘ Ｘ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ａ ｓ ａ
第４ ２卷 第 ７期
ＶＯ１ ． ４２ Ｎ ｏ． ７
红 外 与 激 光 工程
Ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ Ｌａ ｓ ｅ ｒ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ３年 ７ 月
Ｊ ｕ １ ． ２ ０ １ ３
相 干 激 光 测 风 雷 达 风 场 测 量 技 术
利用激光雷达对风的测量与分析在风力发电中的应用
利用激光雷达对风的测量与分析在风力发电中的应用摘要：风力发电是一种清洁、可再生的能源，激光雷达作为一种高精度、高可靠性的测量工具，在风力发电中得到了广泛的应用。
本文首先介绍了激光雷达的基本原理和风测量中的应用方法，然后详细讨论了激光雷达测量风速和风向的精度和可靠性。
接着，探讨了激光雷达在风能资源评估、风力发电机组的控制和风力发电场的运维管理等方面的应用。
通过本文的研究，能够为今后激光雷达对风的测量与分析在风力发电中的应用提供一定的参考与借鉴。
关键词：激光雷达；风力发电；风测量；风能资源评估随着环境保护意识的增强和对可再生能源的需求不断增加，风力发电作为一种清洁、可再生的能源得到了广泛的关注和应用。
风力发电的效率和稳定性对于其经济性和可持续性至关重要。
而激光雷达作为一种高精度、高可靠性的测量工具，可以提供准确的风速和风向数据，对于风力发电的运行和管理起到至关重要的作用。
一、激光雷达对风的测量原理和方法1.1 激光雷达的基本原理激光雷达是一种利用激光束进行测量的仪器，它可以通过测量光的传播时间来计算目标物体的距离。
激光雷达的基本原理是发射一束激光束，当激光束遇到目标物体时，会被目标物体反射回来，激光雷达接收到反射回来的激光束后，通过测量激光束的传播时间来计算目标物体的距离。
1.2 激光雷达在风测量中的应用方法激光雷达在风测量中的应用方法主要有两种：一种是通过测量激光束的传播时间来计算风速；另一种是通过测量激光束的偏转角度来计算风向。
1.3 激光雷达测量风速和风向的精度和可靠性激光雷达测量风速和风向的精度和可靠性主要受到以下几个因素的影响：激光雷达的精度、目标物体的反射特性、大气条件和测量距离。
二、激光雷达在风力发电中的应用2.1 激光雷达用于风能资源评估风能资源评估是确定风力发电场的可行性和优化布局的重要步骤。
激光雷达作为一种高精度、高可靠性的测量工具，在风能资源评估中发挥着关键的作用。
首先，激光雷达可以提供准确的风速和风向数据。
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。
激光雷达海上测风方案
WINDCUBE激光雷达海上测风方案北京莱维塞尔科技二零一二年目录引言1第一部分海上单桩平台介绍2一、桩体结构形式：2二、桩体俯视图2三、桩体加工与运输2四、施工介绍21、组织结构22、施工流程2第二部分海上激光雷达介绍4一、WINDCUBE激光雷达基本介绍41、主要特点：42、应用领域：53、评估认证：64、Windcube 发展演变：6二、系统技术及性能指标72.1WINDCUBE技术原理72.2WINDCUBE系统组成72.3数据处理软件描述1、软件界面72.4系统技术指标9四、可选模块说明91、WINDCUBE双供电系统-M50VP〔甲醇燃料+太阳能板92、3G/SAT无线传输93、WINDCUBE CFD软件工程104、GPS安全跟踪系统105、PTU 传感器11五、系统维护11第三部分、成功应用案例及安装现场11一、经典应用案例11二、安装现场111、在孤岛上——悬崖边122、在灯塔上——Nass&Wind - Lighthouse123、在大的海上平台上: RES ltd –platform <Race bank round 2>124、在小的海上平台上-中国国电集团项目12引言Windcbue海上激光雷达测风系统采用特殊设计的单桩独柱平台,加上轻巧便携的Windcube 激光雷达测风装置,配套供电系统、防雷系统、航标装置及辅助测风系统,形成一套完备的新型式海上测风体系。
与传统式海上测风塔相比,激光雷达海上测风系统特点如下：结构简单、安装方便施工周期短：传统式海上测风塔制作及施工复杂,时间基本上需要6个月左右；而单桩基础设计、制作及施工简单,施工面积小,只需要1个月就可以完成,激光雷达安装只需2天,因此,使工期大大缩短。
迁移方便,可重复利用：在陆上测风塔移塔是很普通的事情,但对于海上测风塔,移塔却非常困难,迁移费用高；而激光雷达测风系统,迁移非常方便,可多次重复利用。
风力发电机组 测风激光雷达 技术要求与试验方法
风力发电机组测风激光雷达技术要求与试验方法1. 引言1.1 概述风力发电是一种利用风能转换为电能的可再生能源的技术。
随着全球对清洁能源需求的增加，风力发电机组逐渐成为主要的电力供应方式之一。
测风激光雷达是一种用于准确测量大气中风速和方向的先进技术。
本文将围绕着风力发电机组与测风激光雷达之间的关系，探讨其技术要求和试验方法。
1.2 文章结构本文共分为五个部分，分别是引言、风力发电机组技术要求、测风激光雷达技术要求、技术要求与试验方法比较分析以及结论与展望。
在引言部分，我们将对文章进行一个整体的介绍和概述。
随后，在各个章节中，我们将详细讨论风力发电机组和测风激光雷达的相关技术要求，并通过比较分析它们之间相互影响和依赖关系来探讨它们在实际应用中可能出现的问题。
最后，在结论与展望部分，我们将对本文所阐述的内容进行总结评价，并提出未来研究的方向。
1.3 目的本文的主要目的是对风力发电机组和测风激光雷达技术要求与试验方法进行详细研究和比较分析。
通过探讨它们的原理、功能需求、设计要素、安全考虑以及技术参数等方面，可以更好地了解它们之间的关联性，为相关领域的研究和应用提供参考依据。
同时，通过对比分析不同技术标准和试验方法，可以揭示出可能存在的差异和问题，并为进一步改进和优化这些技术提供指导意见。
最终，本文旨在促进风力发电领域与测风激光雷达领域之间的交流与合作，推动能源行业向更加清洁、高效和可持续发展迈进。
2. 风力发电机组技术要求：2.1 功能需求：风力发电机组作为一种可再生能源装置，其功能需求主要包括以下几个方面：1）高效转化：能够将风能高效转化为电能，实现最大化的能量利用；2）稳定输出：具备稳定的电力输出特性，能够适应不同风速和气候条件下的工作环境；3）自适应调节：具备自动调节机制，可以根据实时的风速变化进行叶片转速的控制，以更好地匹配风能资源；4）系统监测：配备完善的监测系统，对设备运行状态、功率输出等进行实时监测和数据记录；5）安全保护：具备多重安全保护功能，防止因恶劣天气或异常情况导致设备损坏或人身伤害。
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
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NOAA HRDL (A SOPA Lidar)
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直接探测激光测风雷达结构
发射机:必须是单频激光器（稳频窄线宽） ，如倍频532nm、三倍 频355nm或四倍频266nm ; 接收机：如果测量精度为1m/s，则频率分辨率=2v/=5.6MHz （对于532nm)
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激光雷达的后向散射信号
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VAD 扫描矢量风场反演
径向速度vR可以由v、u和w组成，纬度风速分量usincos,子午线速 度分量vcos cos,垂直速度分量wsin, -方位角，向北顺时针， 仰角。
对于VAD扫描：仰角是常量，方位角是变量，径向速度vR是测 量量，(u, v, w)满足下式：
上式还可表示为：
对流层
2-16 0.5
平流层
16-30 2.0
低对流层
0-5 5
高对流层
5-16 10
平流层
16-20 10
风分布数
风分布间距 时间采样 测量精度 水平积分区域
/hour
km hour m/s km 1.5
30,000
50 3 1.5 50 2 5
100
>500 12 5 50 5
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激光雷达测风技术发展趋势
aerosol signal molecular signal transmitted signal
sunlight
L
Wavelength
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双F-P标准具多普勒检测
I I IL T() Backscattered signal
Laser
I IL 1 d L I 0 T ' ( L )
Nd:YAG
倍频 Nd:YAG 可见光
硅探测器 Mie Rayleigh
优点
宽带探测
可调谐本振
最佳的 激光技术 Mie
分子散射 Mie Rayleigh
探测对象
Mie
Mie
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激光多普勒测风雷达的分类
1. 直探式（相对强度检测）
边缘技术 单边缘、双边缘 条纹技术 环形条纹、直列条纹 分子吸收技术 I2分子吸收
– 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
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多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；在上部，DRS扫描
a：补偿量，b:振幅，max 周相位移动
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DBS 扫描矢量风场反演
VRZ, VRE, VRN 分别是径向速度垂直、东向倾斜和北向倾斜分量
-天顶角
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改进型DBS扫描矢量风场反演
激光雷达波束分别是垂直向、向北、向东、向南和向西
VR > 0, w > 0, u > 0, v > 0
卷云
vd v , 2 vd - - - 多普勒频率
时间 t 距离r
发射激光 脉冲
- - - 激光波长
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后向散射信号的频谱
• 分子散射谱宽度～3.0GHz
• 气溶胶散射谱宽度～发射激光谱宽度（约90MHz）
Zero Doppler shift
Doppler shift
Signal Intensity
光强变化量频移径向速度；
光强空间分布频移径向速度；
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原子吸收线：频率分析器
光强变化率与风速和温度变化曲线
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单边缘滤波器：频率分析器
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双边缘滤波器：频率分析器
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条纹图像：频率分析器
高分辨率光干涉仪产生空间辐照度分布，亦即代表接收面信号光谱 平均频率利用其中一个图样估计，即锁定峰值照度，计算照度分布 的一阶统计量，类似于被动干涉仪，利用同心环直径确定频移
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MAC地基测风激光雷达
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率
指 标 355nm, 532nm 400mJ 10Hz
望远镜：口径 扫描方式
测量范围 距离分辨率
50cm 经纬仪平台
0.5~20km 0.25km
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法国OHP观测站
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率 望远镜：口径 FOV
原子共振吸收频率为： 根据动量守恒和能量守恒定理：
多普勒频移为： 原子吸收截面由于多普勒频移而展宽：
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对于原子自发辐射有：
根据动量守恒和能量守恒定理：
多普勒频移： 自发辐射光子与紊乱光子之间的多普勒频移：
在后向散射情况下，其多普勒频移：
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相干探测测风技术
原理：假设本振光频率fLO、激光脉冲发射频率f0=fLO+foffset、信号回
35
1.1 m 355 nm 13 W@100 Hz -1~26.5km (可扩 展) 1 km (可调)
水平积分长度
信号处理距离
3.5km (可调)
50 km
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欧洲航天局的ALADIN计划
ALADIN( Atmospheric Laser Doppler Lidar IN strument )
01 L
02
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Mie散射和分子散射速度测量
Etalon 1 Etalon 2 Mie signal
中心 10
中心 20
双通道F-P 标准具
Rayleigh signal
Frequency
Mie signal
中心 10
Rayleigh signal
中心 20
Etalon 1
Intensity
0 L
T1() I01
Intensity
T2()
Backscattered signal IL I02 Laser
d
1 I0
I 01 I L I 02 I L 1 I 01 I 02 T1 ' ( L ) T2 ' ( L ) I 0 T ' ( L )
2. 相干式（直接频率检测FFT）
外差技术 本振光与信号光 自差技术
多频率发射光本身
超外差技术 本振光与多频率信号光 航天学院
大气分子或气溶胶散射产生的多普勒频移
根据动量守恒和能量守恒定理：
大气分子或气溶胶散射产生的多普勒频移：
对于前向散射 对于后向散射
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原子吸收产生的多普勒频移
Etalon 2
双通道F -P 标准具
Frequency
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NASA/Goddard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
大气粒子
信号 多普勒频移 发射激光 接收信号 频率
风矢量
接收信号
卷云
谱分析仪
光子探测器
发射激光
时间
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时间－空间的对应关系
ct ct r , r 2 2 t - - - 脉冲宽度或采样宽度 t - - - 测量周期
信号 多普勒频移 发射激光 接收信号
d
频率
接收信号 强度
t r
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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：
2. 主振荡和功率放大激光器
– MOPA is master oscillator and power amplifier. 3. 对于相干探测，发射机必须有非常窄的带宽（如1MHz）
4. 对于脉冲发射，必须有比较长的脉冲宽度，以便改善非常有限的
频谱宽度。
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NOAA mini-MOPA CO2 Coherent Lidar
4. 优势选择适当的波长，可以同时利用分子散射和气溶胶散射。
5. 长波长可以减小分子散射，一般相干激光测风雷达的波长选择在 1~11m
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MOPA 与 SOPA 发射机比较
1. 种子注入再生放大和功率放大激光器 – “ SOPA is injection-seeded slave oscillator and power amplifier” – 种子激光是低功率的单频连续激光器 – 再生放大器是高功率调Q脉冲激光器
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相干激光测风雷达结构
Master oscillator (MO)是稳定单频连续激光器。移频器(AO-M)使发射 光束产生固定频偏。后向散射信号与MO混频产生差频信号，其中包 含散射体多普勒效应的径向速度。
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相干激光测风雷达波长选择
1. 原则上，相干激光测风雷达可以选择任意波长，只要其不在共振 吸收峰上。 2. 气溶胶（米氏散射）散射与分子散射（瑞利散射）相比，在频谱 分析上更有优势。 3. 分子散射截面与-4成比例，气溶胶散射与-2或+1成比例。
激光雷达测风技Biblioteka （3）航天学院大气风场数据获得的手段
1. 地球表面观测系统
地面、海面、风散射仪等，只能提供表面大气层的数据