直接测风激光雷达研究
相干多普勒测风激光雷达研究
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文 章 编 号 ： １７—７５２ １）２００—５ ６２８８ （０２０ ０８ ０
相 干 多 普 勒 测 风 激 光 雷 达 研 究
竹孝 鹏 刘 继桥 刁伟 峰 毕德 仓 周 军 陈卫标
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！。
风电场激光雷达测风塔原理
风电场激光雷达测风塔原理最近在研究风电场激光雷达测风塔原理，发现了一些有趣的原理，今天就来和大家好好聊聊。
咱们先从风说起，风就是空气的流动，就像水里的水流一样，只不过空气是看不见摸不着的。
你想啊，在我们日常生活中，怎样去感觉风的大小和方向呢？我们可能会根据树枝被吹动的幅度，或者脸上的感觉来判断。
那在风电场里，可不能这么粗略地判断啊。
这就要说到风电场激光雷达测风塔了。
它就像是风电场里的“超级侦探”，专门去捕捉风的信息。
先解释个专业术语，激光雷达（LiDAR），简单来讲，它就是一种通过发射激光束然后接收反射回来的光来探测目标的设备。
那它怎么探测风呢？打个比方吧，风里的小颗粒就像是一群调皮的小豆子，激光雷达发射出的激光束就像一道明亮的光线去照亮这些“小豆子”。
光线遇到小颗粒会反射回来，由于风在吹动这些小颗粒，所以根据反射光的变化就能知道风的一些情况。
比如说，小颗粒被快速地往某个方向吹走，那反射光回来的时间和位置就会有相应的变化，这就可以推断出风的速度和方向。
从更科学的角度上说，激光雷达测风的时候，它发射的激光和从运动着的空气中的粒子反射回来的激光之间会有个频率的偏移，这个专业上叫做多普勒频移，就像你在火车月台上听飞驰而过的火车声音，火车靠近和远离时声音的频率会不一样。
我们根据这个频移量就能够计算出风的速度和方向了。
实际应用的例子也很多，就像一些大型的海上风电场，为了对海上复杂多变的风况有准确的测量，很多都会采用激光雷达测风塔，这样就能更好地调整风力发电机的运行参数，提高发电效率了。
不过老实说，我一开始也不明白这么小的激光雷达是怎么准确测量那么大面积的风况呢？后来才知道，它可以通过不同的探测模式和扫描策略。
这里面也有很多注意事项哦。
比如说安装的位置很重要，如果周围有很多障碍物，那测出来的数据肯定不准确，就像你想要看远处的风景，中间有很多高楼挡住了视线一样。
说到这里，你可能会问那如果天气不好，比如大雾或者沙尘天，会不会影响激光雷达的工作呢？这是个很好的问题，大雾或者沙尘天确实会对激光的传输产生干扰，但现在的技术也在不断发展，有的激光雷达可以通过一些算法和技术手段来尽量减少这些干扰的影响。
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。
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。
测风激光雷达鉴频器的性能研究
测风激光雷达鉴频器的性能研究刘延文;孙学金;张传亮;李绍辉【摘要】As an optical frequency discriminator for the Rayleigh channel of the Doppler wind lidar,the performance of F-P etalon determines the accuracy of the wind measurement and the performance of the Doppler wind lidar.The F-P etalon converts the frequency change into energy change for frequency discrimination,echo signals with different frequencies have different transmittances,and the transmittance of the etalon is affected by many factors.From the Airy curve,the influence of different factors on the transmittance of the etalon is studied,and the change rule of peak transmittance with different factors is obtained.It provides the parameter basis for the simulation,design and the measuring error of Doppler wind lidar.%F-P标准具作为测风激光雷达Rayleigh通道的鉴频器,其性能决定了测风精度和测风激光雷达的性能,F-P标准具通过将频率变化转化为能量变化来进行鉴频,不同频率的回波信号具有不同的透过率,但标准具的透过率受到诸多因素的影响,文章从Airy曲线出发,研究了不同因素对标准具透过率的影响,峰值透过率随不同因素的变化规律和变化速率,为测风激光雷达的仿真、设计和研究仪器测量误差提供参数依据.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2018(048)002【总页数】8页(P169-176)【关键词】标准具;透过率;峰值透过率【作者】刘延文;孙学金;张传亮;李绍辉【作者单位】国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101;国防科技大学气象海洋学院,江苏南京211101【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言风是表征大气运动状态的重要的气象要素,影响着大气能量循环,化学污染物的扩散,以及水汽和气溶胶粒子输送,更是大气环流的根本动力,对天气和气候有着重要的影响。
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。
多普勒激光雷达测风原理
多普勒激光雷达测风原理话说这多普勒激光雷达测风，可真是个新鲜玩意儿，咱今天就来聊聊这背后的原理，保管让你听得津津有味，跟听评书似的。
那天，我站在气象站的观测台上，手里把玩着这小巧的激光雷达，心里琢磨着：这玩意儿怎么就能测出风的速度呢？它不像咱小时候玩的风车，风一吹就呼呼转，这激光雷达可是个高科技产品，得靠点真本事。
咱先说说这多普勒效应，你开车的时候，听见过远处警车的警笛声，有时候感觉声音越来越尖，有时候又越来越低沉，对吧？这就是多普勒效应在作怪，声源和接收器之间有了相对运动，声音频率就变了。
激光雷达测风也是这个理儿，只不过它用的是激光，而不是声音。
这激光多普勒雷达，它发射的激光束被大气中的气溶胶粒子散射，就像咱们在阳光底下能看见灰尘在跳舞一样。
这些气溶胶粒子就像是小小的镜子，把激光反射回来。
可问题是，这些粒子可不是静止的，它们跟着风一起动，这样一来，反射回来的激光频率就变了，这就是多普勒频移。
就像咱们俩站在这儿说话，你一动，我耳朵里的声音就变了个调儿，这激光雷达也是，它一接收到这变了调的激光，就能算出风的速度来。
你说神奇不神奇？但这事儿还没完呢，激光多普勒雷达还得靠个叫做相干探测的技术。
啥是相干探测呢？咱得这么理解，你见过俩水波相遇吧？有时候它们会叠加在一起，形成更大的波，有时候又会相互抵消，啥也看不见。
这激光也是，两束激光相遇，也能产生干涉效应。
激光雷达里头，有一束激光是专门用来当“参照物”的，咱们叫它本振光。
这束光跟反射回来的激光一相遇，就在探测器上产生了干涉，就像俩水波相遇一样。
探测器上的信号一变，咱们就知道，风来了，风速多少，也都算得出来。
说起来，这激光雷达测风，还真得靠点运气。
大气条件得好，气溶胶粒子得够多，要不这激光反射不回来，咱就啥也测不出来。
我就碰见过一回，那天雾蒙蒙的，气象站的人说，这条件正好，激光雷达能测得更远。
嘿，还真别说，那天咱们测得那叫一个痛快，连十公里以外的风都测出来了。
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直接测风激光雷达研究
直接测风激光雷达是探测晴空风场精细结构的遥感工具,对于天气预报、大气动力学研究、航空风切变安全预警和国防应用都有重要的意义和显著的应用前景。
多普勒激光测风雷达从工作原理上可分为相干和非相干(直接探测)两种。
论文中采用了双通道Fabry-Perot(F-P)干涉仪直接探测系统,探测Mie散射回波信号。
考虑到大气气溶胶和分子的运动对发散激光束的作用,在低空,发射激光用1064nm时,大气分子的Rayleigh散射回波信号几乎为零,气溶胶的Mie散射信号相对较强,这给信号的探测带来很大的方便。
鉴频系统是多普勒测风雷达的关键技术之一,能从探测光强度的变化分析出频移量,其鉴频能力会影响雷达测风的精度。
本文分析了测风激光雷达的基本原理。
直接探测方法中,边缘技术将激光入射频率锁定在鉴频器陡峭边缘上,较小的频移将导致较大的信号强度变化。
论文主要研究测风雷达的鉴频系统,分析了针对低空气溶胶散射信号的双边缘探测理论,然后仿真了F-P对激光束的透过率函数,根据不同F-P的参数对系统灵敏度的影响选择最适合的F-P参数,仿真鉴频系统的鉴频过程。
分析了激光线宽,标准具表面质量等对系统鉴频的影响,在现阶段,我们采用的F-P双通道是分开的独立通道,为了提高其稳定性能,进行改进,将两个标准具固定在一个基板上,在受到环境干扰时它们的中心频率漂移变化相同,于是可以保证标准具的频谱中心间隔不受干扰。
为了确保出射激光频率在双F-P标准具的中心位置,采用了透过率反馈信号调制标准具腔长。
最后对仿真后的数据进行了分析,选取合适的参数,给出了风速误差随高度
变化模拟结果。