测风激光雷达与风廓线雷达的探测性能评估及数据融合

测风激光雷达和风廓线雷达作为L波段探空测风的有效补充,均可以提供高时空分辨率的大气风场信息,然而由于工作原理和适用条件存在明显差异,在探测性能上各有优缺点,单一设备的探测数据已不能满足精细化预报的要求。本研究使用2020年1—5月北京南郊观象台的L波段探空资料对同址观测的测风激光雷达和风廓线雷达进行了数据质量评估,结果表明测风激光雷达与探空的一致性较高,U、V分量的相关系数分别为0.97和0.98,均方根误差分别为1.1和0.95 m·s^(-1),然而在2 km以上数据获取率较低且偏差较大;风廓线雷达与探空相比,U、V分量的相关系数分别为0.94和0.93,均方根误差分别为2.94和2.91 m·s^(-1),风廓线雷达的探测距离虽然更远,但在0.5 km以下和6 km以上的测量偏差较大。考虑到两种测风雷达在不同探测高度上的性能优缺点,提出分段曲面拟合法对两者的水平风资料进行融合处理,并选取个例对融合效果进行验证,结果表明,融合后的风廓线与融合前相比,风向和风速的一致性均得到明显提升。

测风激光雷达在青岛低能见度天气下的适用性

利用2021年4月—2022年12月青岛国家基本气象站多普勒测风激光雷达和L波段探空系统低空风场观测数据,对比非降水时低能见度天气下测风激光雷达的探测高度和精度。结果表明:测风激光雷达在青岛地区具有良好的适用性,在能见度大于10000 m的非降水天气,其平均最大探测高度稳定在约1200 m,水平风速均方根误差约为1.2 m·s^(-1),水平风向均方根误差约为25°。在能见度小于10000 m的低能见度天气下,测风激光雷达在不同能见度和相对湿度范围内的探测高度和精度受干扰程度存在差异。在能见度为1000~10000 m、相对湿度小于90%的霾天,此时大气能见度降低主要是气溶胶粒子含量增加所致,测风激光雷达的探测能力与高能见度天气下相当。当相对湿度高于95%时,此时大气能见度降低是空气中水汽含量的增加所致,严重干扰了激光在大气中的传输,测风激光雷达的探测高度和精度均有所降低,尤其在能见度小于1000 m的雾天,需谨慎使用其风速和风向数据。

相干测风激光雷达功率谱估计硬件系统综述

相干测风激光雷达探测回来的回波信号需要使用FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)进行功率谱估计,在这个过程中离不开硬件系统的参与。在介绍了FFT算法对硬件需求的基础上,对应用于FFT算法的计算机和硬件电路板的研究进展和优缺点进行了分析。结果表明,随着对数据处理的精度以及软件复杂度的提高,计算机存在着无法改变的缺点;随着芯片技术的发展,以Zynq为核心的硬件电路板是最有发展前途的。最后对相干测风激光雷达FFT功率谱估计硬件系统进行了总结与展望。

基于探空数据的测风激光雷达在黄海西部海岸带的适用性分析

利用2021年4月至2022年12月期间位于黄海西部海岸带青岛国家基本气象站观测场内的多普勒测风激光雷达和L波段气球探空系统(以下简称L波段探空,Lradar),经过观测数据时间和空间相互匹配,以L波段探空测风数据为参照标准,对测风激光雷达探测高度、水平风速和水平风向的探测能力进行对比分析,结果表明:最大探测高度日变化特征与边界层高度日变化较为吻合,每日09:00探测高度最低约1 000 m,17:00则达到探测高度的峰值约1 300 m。在筛选出的共计1 768次二者共同观测时刻中,超过90%测风激光雷达最大观测高度低于2 000 m,不足500 m的时刻约占16%。二者水平风速和水平风向的线性拟合效果较好,相关系数分别高达0.97和0.98,其探测能力在海风和陆风时刻存在微小差异。测风激光雷达水平风速误差随高度和风速大小的变化存在差异,在500 m以下测风激光雷达平均风速明显大于L波段探空测得的平均风速,在500 m至1 500 m误差较小。在4级风及以下,风速误差分布较为集中;5到7级风,风速误差离散程度最大,离散值最多;8级风以上,离散误差明显减少。二者水平风向变化趋势具有较好的一致性,测风激光雷达风向误差以正值为主,即相较于L波段探空顺时针偏转。在低层以偏北和偏南风向为主,在西北(NW)、北西北(NNW)、正南(S)和南东南(SSE)方向上其频率小于L波段探空,在正北(N)、北东北(NNE)、南西南(SSW)和西南(SW)方向上大于L波段探空,高层开始转为偏西风向,在正西(W)方向频率明显大于L波段探空。以上结果表明,测风激光雷达可以较好地刻画出黄海西部海岸带边界层内的风场信息,为后续测风激光雷达在海岸带和海上观测的业务应用提供有效参考。

基于漂浮式测风激光雷达观测数据的海上预报风速订正

本文阐述了海上漂浮式测风设备对数据的测量方式和校准方法后,利用三部漂浮式测风激光雷达50、80和100m三个高度的风速数据,对同地点和高度的GFS全球天气预报模式的风速数据进行预报订正。结果表明,直接采用滑动自适应权重的Kalman滤波方法产生累积的滞后平均偏差对风速进行订正的结果并不理想,统计发现通过降低预报订正公式中的滞后平均偏差项的比值,可以获得更好的标准偏差结果。滞后平均偏差比值减小至0.1~0.5后经Kalman滤波方法订正后的风速标准偏差整体要低于订正前的风速标准偏差,其中最佳的比值为0.3。利用这一滞后偏差比值对三部雷达不同预报时刻和预报时效的风速样本组进行订正后发现,除了个别数据样本组外,超过90%数据样本组的风速标准偏差较订正前是减小的。经改进的算法订正后各高度层风速预报值的改善率大致在5~20%范围内。

基于相干测风激光雷达数据的南京地区风场特征分析

为了进一步分析南京地区的风场特征,文章利用1.5μm全光纤相干测风激光雷达在南京栖霞沿江地区进行了1年时间的连续观测,通过与附近自动气象站的风场观测数据对比,验证了雷达观测数据的可靠性。基于雷达观测数据,统计分析了南京地区低空风场的分布特征、风速的季节与日变化规律,对南京地区风资源评估具有一定参考性。

相干多普勒测风激光雷达

鉴于多普勒测风激光雷达在航空航天、遥感遥测、气象观测等军事及民用领域中的广泛应用,结合相干探测工作原理,介绍了国外几种典型波段相干多普勒测风激光雷达系统,重点分析了激光发射机/接收机、空间扫描、数据处理等关键技术,并对相干多普勒激光雷达的广阔应用前景进行了展望。指出国内相干多普勒测风激光雷达研究已取得的一些重要进展。

车载测风激光雷达风廓线同步观测实验

多普勒测风激光雷达能够实现高时空分辨率的大气风场测量,中国海洋大学成功研制了可以测量风廓线和三维大气风场的车载多普勒测风激光雷达,并已交付中国气象局使用。为了检验该激光雷达的测量性能,2011年春季开展了车载激光雷达与探空气球风廓线同步观测实验,获取了55组比对数据。介绍了此次同步观测实验,给出了激光雷达和探空气球风廓线数据的比对个例,并对所有比对数据进行了统计分析。同步比对结果显示,激光雷达与探空气球风廓线数据的风速均方根偏差为2.76 m/s。通过分析比对偏差,证明了激光雷达风廓线测量结果的准确性。

三通道Fabry-Perot标准具在瑞利测风激光雷达中的应用

描述了利用三通道Fabry-Perot(F-P)标准具作为鉴频器直接探测多普勒风场的原理。优化了三通道F-P标准具的设计参数。介绍了基于三通道F-P标准具研制的测风激光雷达接收机的结构。利用355 nm脉冲光,通过调节PZT电压来改变标准具的腔长,对标准具的透过率曲线进行了初步测量,并分析了标准具的参数,标准具的带宽和峰值透过率较设计时分别增大了13%和10%。介绍了利用四波束反演水平风场的方法。根据标准具参数和信噪比计算的速度灵敏度较设计时下降了0.09%,风速精度在40 km以下优于5 m/s。同时,与风廓线雷达进行了比对,对163组数据的风速差进行统计,平均值为0.22 m/s,标准差为1.67 m/s,表明两者有较高的一致性。

条纹技术测风激光雷达研究

使用单纵模355nm激光作为发射光源,Fizeau干涉仪作为光谱鉴别设备,对条纹技术测风激光雷达进行了研究.对激光器频率抖动和Fizeau干涉仪光谱进行了分析,建立了条纹技术激光雷达系统,使用Fizeau干涉仪扫描的方法对系统进行了风速标定.利用研制的激光雷达系统对引入的参考光信号和大气后向散射信号进行同时测量,得到1.5km以内的大气风速剖面.

多普勒测风激光雷达研究进展

简述了多普勒测风激光雷达测风的意义,报道了多普勒测风激光雷达的发展动态。综合该领域的发展情况,按探测方式的不同,分相干技术和直接探测技术分别讨论了测风激光雷达的应用及其特点,比较了各种系统的性能。

扫描式测风激光雷达的风场反演

为了解决扫描式测风激光雷达斜上方空域三维风场分布探测的难题,提出采用多点规则采集、四波束分组结算、多区域融和的方式进行观测区域的风场反演。以速度可控的硬目标作为研究对象,通过比较合成后的风速大小与控制速度的差异验证了该反演方式的有效性。通过设计精度试验,对实际风场进行测量。对雷达测量结果与三维超声波风速风向仪测量数据进行对比,结果表明:采用该风场反演技术对距离400 m内的风场进行推算,风向精度优于5°,风速精度优于2 m/s,能够准确描绘探测区域的风场信息。

基于瑞利散射的测风激光雷达研制

介绍了全球大气风场观测的重要性,研制了一台基于三通道标准具的车载瑞利多普勒测风激光雷达,用于平流层的风场探测。较为详细地介绍了测风的基本原理、系统的总体结构以及技术参数。利用紫外光在大气分子中的低吸收和高散射特点选取355 nm作为工作波长。描述了三通道标准具的结构以及利用脉冲光对标准具的透过率曲线进行了扫描,结果表明,标准具实测参数与设计参数基本一致,信号通道1和信号通道2峰值透过率分别为68.6%和67.5%。两个边缘通道的间隔为4.6 GHz。利用调试好的系统对合肥地区平流层进行了初步的风场探测,测试结果表明,该激光雷达系统稳定性达到设计指标。

1.06μm直接接收米散射测风激光雷达的性能分析

介绍了基于Fabry Perot标准具的直接接收米散射 10 6 4nm测风激光雷达的工作原理 ,设计了利用该原理进行风场测量的激光雷达 ,并估算了该系统的设计性能 ,进行了系统测量误差分析 ,结果表明 :高度在 10km内和风速测量的动态范围内的误差小于 2m/s ,测量精度随径向测量速度的增大而下降 ,在低对流层的测量精度。

基于斐索干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达

提出结合多光束斐索 (Fizeau)干涉仪和CCD探测器的条纹图像技术 ,测量地球边界层下的三维风场的直接探测多普勒激光雷达技术。在分析Fizeau干涉仪的物理特性和光谱特性以及影响测量多普勒频移的因数和改进方法的基础上 ,提出一套切合实际的直接探测多普勒激光雷达系统参数。并利用该参数进行性能评估分析 ,模拟不同干涉仪参数对风速精度的影响 ,得出一个优化的干涉仪物理参数。模拟结果显示 ,系统可以获得小于1ms- 1 的水平风速精度。这些分析 ,为建立实际的激光雷达系统提供设计依据。

新型多普勒测风激光雷达Windcube的风参数观测与验证

2007年12月11～14日,中国科学院大气物理研究所与法国Leosphere公司在该研究所位于北京市北三环和北四环之间的325m气象塔试验场内联合开展了一次测风激光雷达Windcube的外场演示试验。Wind-cube观测数据随后与325m气象塔上的风杯风速仪测得的风速资料进行了对比,结果是:由两种手段获得的所有6层匹配高度(63m、80m、100m、120m、160m和200m)上的10min风速平均值一致性很好,相关系数都达到或超过0.98。使用矢量法对6层高度上的风向资料进行平均,得到风向的10min平均值,两者的相关系数均达到0.99。与国产测量低层大气风廓线的高精度多普勒激光雷达相比,Windcube的风速测量精度稍优,风向表现相当。验证结果表明,该型多普勒测风激光雷达是一款观测结果可靠、机动性能良好的低层大气风廓线测量仪器。

相干测风激光雷达望远镜孔径及截断因子的优化分析

基于相干多普勒测风激光雷达外差探测理论,给出自由空间和光纤耦合两种模式下外差效率的解析表达式,并通过参数替换使两者具有统一的形式;结合此表达式以及湍流环境下的信噪比公式,仿真给出了地基及星载相干测风激光雷达系统不同探测距离处的最优望远镜和截断因子。研究结果表明地基系统信噪比随着望远镜孔径变化比较陡峭,存在最优望远镜孔径和截断因子,如若取值不恰当,会造成系统信噪比巨大损失;而星载平台下回波信号的信噪比随着望远镜孔径先增加后保持平稳,望远镜孔径可以综合成本和信噪比进行合理取值,最优化的截断因子为80%。此研究对相干多普勒测风激光雷达探测理论的发展及系统器件的最优化配置提供了重要的理论依据。

机载测风激光雷达下视VAD反演及算法仿真

为了研究机载测风激光雷达对机下空域3维风场分布进行探测的问题,基于陆基测风激光雷达建立风场模型,采用Levenber-Marquardt(LM)最小二乘法优化径向速率,与传统反演算法进行了仿真对比。结果表明,机载测风激光雷达的工作原理和扫描方式与陆基测风激光雷达类似,不同的是,机载测风激光雷达不仅受飞机速度干扰,而且存在飞机飞行状态不稳定性影响、地球曲率影响、地面强散射回波干扰、地面杂波干扰等特有误差来源,使得风场反演难度更大;而LM最小二乘法具有Newton-Gaussian最小二乘法的快速收敛特性和梯度下降法的保证收敛特性,能满足风场快速和准确的反演。相关结果对测风激光雷达的优化具有参考价值。

双边缘技术多普勒测风激光雷达标准具的优化

优化了基于双边缘技术的直接测风多普勒激光雷达中F-P标准具的工作参数。确定激光谱宽后,选择适当的F-P标准具自由谱间距,可正确消除瑞利背景噪声的影响。分析了标准具镜面缺陷、非严格平行和入射光束发散角对其透过率曲线的影响。将标准具透过率函数表达为唯一系统参数,即反射精细度的函数;通过计算散粒噪声极限时的相对测量误差,可确定最优反射精细度以及激光频率相对标准具透过率中心频率的最佳偏置;由最优反射精细度可得到入射到标准具光束的最大发散角和标准具的最小通光口径。

瑞利散射多普勒测风激光雷达的校准

在进行实际风速测量之前,对于新研制的测风激光雷达系统进行校准,可以验证并提高风速测量的准确性。根据瑞利散射多普勒激光雷达的测量原理,提出了利用瑞利散射谱和米散射谱之间的关系,采用运动硬目标实现对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的方法。设计了对瑞利散射多普勒测风激光雷达进行校准的实验系统,并给出了详细的校准步骤。