风廓线雷达与激光测风雷达
风采三维激光测风雷达工作原理及维护
风采三维激光测风雷达工作原理及维护摘要：风采三维激光测风雷达用于探测机场上空及飞机起降通道低空风场信息，为飞机起降提供短时大气风场信息，以保障飞行安全。
本文详细介绍系统的工作原理、产品组成、主要性能和维护方法，为用户日常管理维护提供经验与借鉴。
关键词：风场，激光测风雷达，性能Style three-dimensional laser wind measurement radar working principle and maintenanceQishan（Xinjiang Air Traffic Control Meteorological Center, Urumqi 830000）Abstract:Fengcai 3D laser wind measurement radar is used to detect the low-altitude wind field information over the airport and the aircraft take-off and landing channel, and provide short-term atmospheric wind field information for aircraft take-off and landing to ensure flight safety. This article details the working principle, product composition, main performance and maintenance methods of the system, and provides experience and reference for users' daily management and maintenance.Keywords: wind field, laser wind radar, performance0引言近年来，我国民航飞机架数和航班量呈爆炸式增长，机场航班密集时段，起降架次时间可达分钟级，且飞机通常进行高速起降，因此对激光测风雷达的实时性要求很高，根据实际需求，激光测风雷达实现了较高的数据刷新率，能够对机场上空的风场变化进行实时监测及预报。
低空风切变对民航飞行安全的影响与预防对策
低空风切变对民航飞行安全的影响与预防对策摘要：低空风切变影响飞机的起降阶段，是国际航空界公认的“隐形杀手”。
由于低空风切变出现的时间短、空间小，速度变化太快，因此不易观察和预报。
低空风切变现象是压倒性的，减少受此影响的最好办法就是避开它。
准确合理地确定是否出现低空风切变，从而保证航空器安全飞行是航空人的主要责任。
本文以低空风切变为研究对象，首先阐述定义，其次介绍低空风切变的种类，再次详细论述低空风切变对民航飞行安全的影响，最后针对性地提出预防低空风切变的对策，以期促进我国民航业的安全平稳运行。
关键词：低空风切变；民航；飞行安全；影响；对策引言低空风切变预警在我国民航领域仍处于起步阶段，设备技术复杂，投资成本高昂。
目前检测中低空风切变的最主要方法包括，风廓线雷达、多普勒气象雷达、激光测风雷达，以及中低空风切变监视和预警系统。
但各种仪器也有其各自的优势与局限，低空风切变的准确监测必须整合不同的仪器和系统，建立一套独立的监测体系。
根据以上情况，我们着重研究各种传统仪器的检测方法和应用，评估机场出现低空风切变的可能，为管理、飞行、机场以及其他机构提供相关服务。
1.低空风切变的定义风切变是一类大气现象, 是指风速矢量或其分量沿垂直方向或某一水平方向的变化。
它可能垂直或水平,可能出现在低空,也能出现在较高处。
通常出现在离地面六百米高度以下的，风的水平或垂直切变现象，称为低空风切变。
低空风切变的特点是转换时间短、航程短、强度高，因此在这种环境下飞行时，飞行速度会发生剧烈变化，飞行速度的变化会导致升力发生变化。
升力变化，则会导致飞机的飞行高度发生变化。
例如，如果飞行器的飞行轨迹刚刚经过一个微下冲气流，飞行器可能会突然异常坠落，偏离原来的轨道，可能由于高度低而造成危险。
2.低空风切变的种类及对飞行的危害2.1 顺风切变当飞机顺着飞行方向顺风增大或逆风减小，从大逆风区进入小逆风区，从逆风区进入顺风区，都属于顺风切变。
风廓线雷达与及激光测风雷达
波束进行控制。②从模块箱接收观测信号,并检测出信号的 相位。③在收发装置中还产生这个系统的时间信号,用于系 统的时序控制。
• 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送来的数据,以 图形方式将处理后的产品显示出来,同时保存数据文件
定位精度
±0.1度
位置分辨率 ±0.01度
位置重复率 ±0.05度
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激光测风雷达-分类
探测方式： • 相干探测激光雷达 • 非相干探测（直接探测）激光雷达。
激光测风雷达-分类
• 直接式常以空气分子的瑞丽散射为基础，一般选择蓝绿光或紫外等短 波长激光作为发射源，才能得到比较强的瑞丽散射气象回波信号，经 过单边缘滤波、双边缘滤波或条纹检测手段，通过功率谱分析方法， 间接提取多普勒频率信息。
• 2007年，中国科学技术大学研发了一台波长为355nm的车 载测风激光雷达系统。
• 当前，中国兵器209所在传统扫描方式的基础上，研发了 一种采用二维扫描工作方式的小型三维测风激光雷达。
WindTrace相干激光多普勒测风雷达
技术参数
技术指标
脉冲重复频率 500Hz ±10Hz
脉冲能量
2mJ
风廓线雷达-原理探究
• 实际仪器设计为三波束或五波束 轮流发送
• 通过依次测量1个天顶垂直波束 指向和东、南、西、北4个倾斜 波束指向上各个距离库的多普勒 速度, 在大气水平均匀的条件下, 用同一高度上的5个波束指向的 多普勒速 度测量值联合求解出 大气3维风场。
02 激光测风雷达
激光测风雷达-概念探测
北京城市复杂下垫面条件下三种边界层测风资料对比
北京城市复杂下垫面条件下三种 边界层测风资料对比
朱 苹１，王 成 刚１，严 家 德１，李 炬２
（１．南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 ２１００４４； ２．中国气象局北京城市气象研究所，北京 １０００８９）
摘 要：利用 ２０１６年 ８月 ２８日至 ９月 ２日北京市朝阳区气象观测站激光测风雷达、风廓线雷达和 ＧＰＳ探空仪同步观测数据，对比分析三种测风仪在城市复杂下垫面条件下边界层不同高度处的测风 性能。结果表明：（１）激光测风雷达与 ＧＰＳ探空仪测风结果具有较好一致性，风速、风向的相关系数 分别为 ０．６６～０．９６、０．７１～０．９８，其中风速平均绝对误差小于 ２ｍ·ｓ－１，风向误差在 ２０°之内。（２）风 廓线雷达资料的精度相对较差，与 ＧＰＳ探空仪的风速、风向相关系数分别为 ０．６６～０．９１、０．５５～ ０．８６，误差随高度呈现先减后增的垂直分布特征。其中，４００～１０００ｍ高度范围两种资料的吻合度最 高，相关系数在 ０．８０以上，为仪器最佳测量范围；此外，风廓线雷达的风速整体高于 ＧＰＳ探空仪，两 者最大偏差可达 ４ｍ·ｓ－１左右，风向平均误差最大可达 ３０°。（３）ＧＰＳ探空仪的工作方式及测量结果 也存在不足，一是观测频次较低，难以详细、精准地描述边界层风场结构的变化过程；二是当存在垂直 风切变时，探测初期具有明显滞后性，由当前状态转变为真实的风场示踪物需要一定时间。 关键词：北京城市；复杂下垫面；边界层测风；资料对比 文章编号：１００６－７６３９（２０１８）０５－０７９４－０８ ＤＯＩ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０１８）－０５－０７９４ 中图分类号：Ｐ４１２．１６ 文献标志码：Ａ
为了获取更高精度、更精细、更全面的城市边界 层风场数据，目前应用的新型测风仪器主要有：（１） ＧＰＳ探空仪。测量系统以气球为示踪物，利用 ＧＰＳ 卫星观测网或 Ｌ波段雷达确定气球位置，进而获取
风廓线雷达——一种新型的测风雷达
从 年 10 月 刀 日 本文于 1望 收封
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提要
一种新型 的 测 风雷达
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本 文介绍 了 风廓线雷 达的侧风 原理及这种 礴风方 式对 雷达设 备的姿 求 同时 也筒 要 介 绍 了
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2020年2月13日西宁曹家堡国际机场大风风切变天气个例分析
2020年 2月 13日西宁曹家堡国际机场大风风切变天气个例分析摘要：2020年2月13日，西宁曹家堡机场出现大风风切变、吹沙等复杂天气，对本场的航空器运行造成了一定的影响。
本文从天气形势、实况天气过程、激光测风雷达的应用及服务保障情况等方面进行了分析，此次大风风切变天气为动量下传大风导致，关注大风风切变、颠簸天气，以及伴随的吹沙和低能见度天气，关注风向的转变，风切变的位置高度，以及高空颠簸层的位置。
本次服务过程预警服务工作靠前，服务及时细致，为管制部门提供了准确的气象信息。
关键词：大风风切变激光雷达航空气象服务保障1天气形势及主要影响系统1.1 环流背景2020年2月13日至15日，受500hPa高空槽东移及地面强冷空气影响，我国自西向东出现了一次寒潮天气过程，降温幅度大，伴随有雨雪及大风天气。
2月13日08时500hPa（图1a）显示，西宁机场受西北气流影响，有明显冷平流。
700hPa高空槽位置较500hPa偏东，西宁机场上空有冷舌影响。
图1 2020年2月13日08时（a）500hPa高度场/温度场(b) 700hPa高度场/温度场1.2 地面形势由2月13日08时地面图（图2）分析发现，青海南部地区有一中心值为1030hpa的冷高压存在，青海湖以西受其影响为一致大西风；蒙古高原有一中心值为1050hPa的冷高压，逐渐东移南压，其冷空气前沿已达河西走廊，预计将沿祁连山北麓南下在兰州堆积后于13日傍晚前后经由河湟谷地倒灌影响西宁机场。
同时13日高空风速较大，且天气晴朗，日照充足，易出现不稳定层结从而导致大西风动量下传。
图2 2020年2月13日08时地面气压场2实况天气过程2.1天气实况对西宁机场11号基准观测点的自动观测系统风数据进行统计，2月13日08时至2月14日08时10分钟平均风向风速变化图（图3a）并选取了13日14时至24时的10分钟和瞬时风速制作风速变化图（图3b），从图表及实况数据中分析，2月13日，14：43分西宁机场大风天气瞬时风速19m/s，14时45分出现高吹沙，能见度3000米,15：55能见度降至1500米,17时16分能见度转好至2600米，17：31至17：49已经由西风转变为稳定的东风110°左右，17：54能见度降至2000米，18：11大风瞬时风速极值24m/s，18：28能见度降至1500米，18：47能见度2300米，18：52东风平均风速达16m/s，其后东风风速一直维持在较大水平，19：06能见度好转至6000米，19：54高吹沙天气解除，23时风速逐渐减小。
激光测风雷达介绍
激光测风雷达缺点：
1、产品成熟度不及测风塔，测风精确度有待进一步认证； 2、设备较为昂贵（国产60万左右，进口150万左右）； 3、后期使用成本较高（每年调教一次约1~2万）； 4、户外测风时存在被盗风险；
激光测风雷达使用场景：
1、测风塔代表性验证 在复杂地形区域，测风塔代表性难以满足风资源评估
注意：
需要注意的是，考虑到雷达测风大小风月和 时间一般不足一年的情况，及不同型号设备的环 境适应性问题，复杂山地雷达设备的应用现在仍 处于辅助测风阶段，雷达测风在复杂地形情况下 的不确定度有待进一步细化研究。
THANKS
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
激光雷达的灵活性、便携性，可更快速、有效对风机 的功率曲线进行确定或验证，对在实际运行环境下风机的 运行表现分析有重要意义。
激光测风雷达供应商：
1、北京
型号：Windcube V2 制造商：法国 价格：150万左右 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：685*745*685mm，产品重量约66KG
激光测风雷达供应商：
型号：WindPrint V300 制造商：青岛 价格：80万左右 产品参数：产品测量精度（0.1m/s）、采样频率（1s）， 测量范围为40-300m； 产品尺寸：产品重量约50KG
激光测风雷达简介
激光测风雷达简介:
激光测风雷达是用来测量高空风向、风速的雷 达。激光雷达测风作为新型的移动测风技术，利 用激光的多普勒频移原理，通过测量光波反射在 空气中遇到风运动的气溶胶粒子所产生的频率变 化得到风速、风向信息，从而计算出相应高度的 矢测量性能强大，满足40m~300m，12个高度层风参数据 测量 2、激光雷达数据获取方便灵活，可满足各种地形项目 数据测试（体积约560*570*550mm，重量约50kg）； 2、激光雷达数据更丰富，可同时测得不同高度的水平、 垂直风速、风向数据，入流角等；
风廓线雷达
信号处理：相参累积，非相参累积，傅里叶 分析，谱数据处理等
数据处理\显示系统：数据处理主要是进行矢 量合成, 得到每个距离单元上的合成风矢量, 并以一定方式显示在CRT上， 微机即可。
风廓线雷达的特点
（1）获取资料的时间和空间分辨率高，风廓线雷 达的测量具有很高的时间和空间分辨率。从此意义 上讲风廓线雷达的测量具有连续和实时的特点。
指数产生相应的涨落会使波束的电磁信号被散射，
其后向散射将产生一定功率的回波信号，风廓线仪 就是通过接收处理这些回波信号来获取风场的信息。
实际仪器设计为三波束或五波束轮流发送，测出沿各波 束发射方向的径向风速，就可合成垂直运动速度、水平 风向和风速。就如图所示的为三波束，一束向上，两束 分别以α向东和向北倾斜。雷达在器探测周期信号束会 由垂直转向东，再转向北，最后又回到垂直位置，将会 得到不同方向的三组多普勒要素，根据矢量合成原理， 最终得到代表站上空的风向和风速。
（2）获取资料的种类多，风廓线雷达能够提供多 种气象信息。风廓线雷达在提供详细的风场结构及 其随时间演变的同时，还能够提供大量的可以用于 大气科学研究和天气预报的有用信息。特别是，常 规探测手段很难获取这些资料。
（3）遥感方式，风廓线雷达属于遥感设备，特别 适合需要无球探测的场合，如机场的测风应用。
(2)模块箱:内部有24 个模块分别控制24 组天线。
(3) 收发装置: ①向模块箱里的激励单元传送发射信 号,并对各波束进行控制。②从模块箱接收观测信号, 并检测出信号的相位。③在收发装置中还产生这个 系统的时间信号,用于系统的时序控制。
(4) 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送 来的数据,以图形方式将处理后的产品显示出来,同 时保存数据文件
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激光测风雷达-分类
探测方式： • 相干探测激光雷达 • 非相干探测（直接探测）激光雷达。
激光测风雷达-分类
• 直接式常以空气分子的瑞丽散射为基础，一般选择蓝绿光或紫外等短 波长激光作为发射源，才能得到比较强的瑞丽散射气象回波信号，经 过单边缘滤波、双边缘滤波或条纹检测手段，通过功率谱分析方法， 间接提取多普勒频率信息。
（1）采用大面积天线,以提高天线增益,所以风廓线雷达一般 为方形天线,不作机械转动,而采用电扫描工作; （2）在每个波束指向探测时,风廓线雷达会驻留几十秒至数分 钟的时间进行连续探测, 并对收集的弱回波信号进行累加, 以 提高回波信噪比; （3）采用多模式组合探测
优势探讨
• 是一种新型的无球高空气象遥感探测设备; • 可以连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常
• 属于主动测量系统，利用大气中随风飘动的微小颗粒(气 溶胶或者大气分子)对激光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探测技术
• 采用光学方法对测量空域的风场进行非接触式实时三维测 量，同时完成对大气中的气溶胶的扫描
• 利用气溶胶运动产生的多普勒频移确定激光视线方向上的 径向风速的序列，反演观测视场的大气风场分布
中电集团14所 航天科工集团二院23所 安徽四创电子股份有限公
司
爱尔达公司
敏视达雷达有限公司
O CFL-16
O
Airda16000
O
GLC-24 CFL-08 SCRTWP-01
Airda8000
TWP8
CLC-8 CFL-03B K/LLX802
Airda3000
O
GLC-24 （14所） Troposphere Wind Profiler II
• 空间分辨率高（角分辨率rad量级）、时间分辨率高 • 高测量精度（低对流层<1m/s，中高层<3m/s） • 覆盖范围大（全球范围），适合星载平台 • 全球的分子散射测量：尤其在海洋或南半球 • 气溶胶散射测量：在低大气层和陆地上空
• 劣势：
• 适合晴天工作，大气穿透能力差（不适合雾、雨、雪天） • 近地面水平作用距离有限（由于大气衰减）
• 相干式常以大气中气溶胶的米氏散射为基础，一般选择中波红外或长 波红外光波段激光作为发射光源，才能得到比较强的米氏散射气象回 波信号，经中频信号处理，直接提取多普勒频率信息。
• 相干式更具有接近量子噪声极限的灵敏度，非常适合于极微弱气象回 波信号的检测
激光测风雷达-特点
• 优势（与其它方式比较）：
规定垂直风向上为正 • 分廓线雷达测得的径向速度用Vr表
示，建立三维直角坐标系 • 雷达为坐标原点，r为空间点到原
点距离，φ表示天顶角，θ表方位 角，由x轴正方向逆时针旋转
X轴指东，Y轴指北
风廓线雷达-结构探究
边界层风廓线仪一般由4个部分组成:
• 天线:天线阵分为4 块,每块上各有12×12根外部用树脂管密 封的细铜管排列构成。
CFL-16 （23所） Troposphere Wind Profiler I
Virtual Temperature
CFL-08 （23所） Troposphere Wind Profiler II
CFL-03B （23所） Boundary Layer Wind Profiler
SCRTWP-01 （四创） Troposphere Wind profiler
定位精度
±0.1度
位置分辨率 ±0.01度
位置重复率 ±0.05度
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风廓线雷达与激光测风雷达
工作汇报
汇报人：
日期：2019.06.06
内容介绍
风廓线雷达
概念探测 原理介绍 国内外发展现状 分类特点及应用
激光测风雷达
概念探测 原理介绍 国内外发展现状 分类特点及应用
01 风廓线雷达
风廓线雷达-概念探测
• 风廓线雷达(wind profiler radar，WPR)，也叫风廓线仪 • 是一种新型的测风雷达,通过大气湍流对电磁波的辐射作
• 底部VAD扫描 • 顶部DBS扫描
VAD扫描反演方法
• 是目前风速矢量测量最广泛使用的方式之一 • VAD扫描方式中，在固定仰角的情况下，通过不同的方位
扫描，可以获取三个或更多的相互独立的视向风速，然后 通过估算每个方位不同距离上的径向风速，实现不同距离 上风场的一次性测量 在进行风场反演时进行以下假设条件： (1)风场分布均匀，且随海拔层状分布 (2)竖直方向上风速为零或非常小
• 模块箱:内部有24个模块分别控制24组天线。 • 收发装置: ①向模块箱里的激励单元传送发射信号,并对各
波束进行控制。②从模块箱接收观测信号,并检测出信号的 相位。③在收发装置中还产生这个系统的时间信号,用于系 统的时序控制。
• 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送来的数据,以 图形方式将处理后的产品显示出来,同时保存数据文件
5 000 m 3 000 m
300 m 50 m
中层风廓线雷达 对流层风廓线雷达 低对流层风廓线雷达
边界层风廓线雷达
46-68MHz
440-450MHz
440-450MHz
1270-1375MHz
概念探测
概念探测
• 因晴空大气湍流散射回波信号很弱, 为了能接收处理如此 微弱的信号, 风廓线雷达必须采用一些特殊技术:
K/LLX802 （四创） Boundary Layer Wind profiler
Airda 3000 （爱尔达） Boundary Layer Windprofiler
TWP8 （敏视达） Troposphere Windprofiler
风速计算-原理探究
• 由径向风速求水平风速 • 将风速分解为u，v，w三个分量，
• 当前，美国洛克希德马丁公司所研制的WindTrace激光测 风雷达已经在多个国际机场投入使用。
国内发展现状
• 2000年，中国海洋大学成功研制了一套车载式非相干多普 勒测风激光雷达系统；
• 2004年，中国科学院安徽光电所建立了第一台基于气溶胶 后向散射信号双边缘技术的米氏散射直接探测测风激光雷 达系统；
VAD扫描反演方法
国外发展现状
• 1999年，日本三菱电机株式会社开发出了1.55µm人眼安全 相干式光测风雷达系统；
• 2001年，法国ONERA和LEOSPHERE两家公司公共开发出了 1.54µm人眼安全的全光纤测风激光雷达系统；
• 2004年，美国汉普顿的美国宇航局研究中心研发了一套波 长为2µm的车载激光雷达系统。
风廓线雷达-原理探究
• 实际仪器设计为三波束或五波束 轮流发送
• 通过依次测量1个天顶垂直波束 指向和东、南、西、北4个倾斜 波束指向上各个距离库的多普勒 速度, 在大气水平均匀的条件下, 用同一高度上的5个波束指向的 多普勒速 度测量值联合求解出 大气3维风场。
02 激光测风雷达
激光测风雷达-概念探测
脉冲宽度
500ns
系统效率
>10%
波长
2022.5nm(Tm:Y AG)
孔径
10cm
距离分辨率 100m
最大不模糊径 ±20ms-1
向速度
±40ms-1(扩展)
探测距离 400m ~10km
WindTrace雷达系统参数
扫描系统参数 技术指标
孔径
11.6cm
方位范围
360度
俯仰范围
0-180度
最大扫描速度 20度/分钟
数等气象要素随高度的分布和随时间的变化; • 能在所有天气条件下测量风廓线; • 降雨会增强回波信号强度,有助于增大水平风测量的有效垂
直高度; • 是能够在无人值守状态下工作,并且几乎能在站址的正上方
做连续的风测量; • 具有很高的时间和空间分辩力;
国外发展现状
• 1960s—1990s，美国 最早完成 了风 廓线雷达的研制、试验、布设；
• 1980年美国国家海洋大气局(NOAA) 环境研究院波传导实验室 (WPL)在 科罗拉多州中北部建立了一个风廓 线雷达试验网；
• 美国维萨拉公司风廓线雷达分部, 发 布 产 品 LAP-3000 、 LAP-12000 和 LAP-16000等
国内发展现状
高对流层 低对流层
边界层
风廓线雷达 风廓线雷达 风廓线雷达
矢量风速反演方法
• 矢量风速V (u, v, w) 是少需要三个独立的径向速度估计 • 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 • 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
• 2007年，中国科学技术大学研发了一台波长为355nm的车 载测风激光雷达系统。
• 当前，中国兵器209所在传统扫描方式的基础上，研发了 一种采用二维扫描工作方式的小型三维测风激光雷达。
WindTrace相干激光多普勒测风雷达
技术参数
技术指标
脉冲重复频率 500Hz ±10Hz
脉冲能量
2mJ
用，根据多普勒效应获取不同波束方向的径向速度。在一 定风场假设条件下，利用处在同一高度面上的多个点的径 向速度计算水平风，垂直风可由垂直波束直接探测。
概念探测
• 风廓线，即风速随高度的 变化曲线，以研究大气边 界层内的风速规律。