利用激光雷达测量湍流强度廓线的研究

介绍了一种新颖的利用激光雷达测量湍流廓线的原理,通过对经过分层大气湍流的光束波面误差的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用一定的算法反演湍流强度廓线。通过大量的实验,验证了通过测量波面误差获得大气折射率结构常数这种方法的可行性．提出了在一定近似条件下利用平面波积分方程的递推算法反演大气折射率结构常数,获得了较为满意的相似度,并且与球面波算法进行了比较,分析了各自的反演效果。

激光雷达测量大气湍流廓线

介绍了一种利用成像激光光斑测量大气湍流廓线的激光雷达原理。通过对分层大气湍流的光束波面变化的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用平面波近似算法反演湍流强度廓线。通过搭建的大气湍流廓线激光雷达实验系统获得了湍流廓线的实验数据,并且与系留飞艇搭载的温度脉动仪在同时段固定高度进行了对比实验,验证了近似递推算法的可行性。最后对实验中出现的误差进行了讨论。

湍流廓线激光雷达的数据处理方法

湍流廓线激光雷达是近十年出现的测量大气湍流强度廓线的新技术,目前数据处理已成为该技术的关键环节。对湍流廓线激光雷达的数据处理方法进行了详细地描述,重点研究了双光斑图像背景阈值计算方法与大气湍流强度廓线反演算法。比较了迭代法、最大类间方差法和统计法三种背景阈值计算方法分别在强信号与弱信号下的计算结果,得出统计法是比较适合双光斑图像的背景阈值计算方法。在背景阈值计算的基础上对图像进行分割并计算得到双光斑的质心距,统计多帧图像的质心距起伏得到达角起伏方差。然后利用HV-21模型模拟了从到达角起伏方差反演大气湍流强度廓线的算法,所得结果与原始值大小相近、整体变化趋势一致,但是不能反映原始值的细节变化趋势。

DCIM激光雷达测量湍流廓线反演算法及数值仿真研究

提出了一种基于广义Hufnagel-Valley模型的差分光柱像运动(ICIM)激光雷达测量湍流廓线的反演算法,推导了数据平滑处理函数,通过对HV 5/7模型廓线数值仿真得出:真值反演时,反演廓线与理论模型廓线最大相差约0.004个量级,反演廓线计算的ro、整层θ与理论值的相对误差绝对值均在0.5%以下;有10%随机误差时,20 km以下反演廓线与理论模型廓线最大相差约0.5个量级,20 km以上误差增大,反演廓线计算的ro和整层θ与理论值的相对误差绝对值约在10%和5%以下,满足实际激光大气传输应用;数据平滑处理函数不会影响反演廓线随高度的变化特性。最后仿真验证了反演算法的普适性,可用于DCIM激光雷达测量不同地区的湍流廓线。

湍流廓线激光雷达的研制

对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究。利用焦点附近的大气瑞利后向散射作为测量信标测量湍流信息,当聚焦高度不同时,可以测得不同高度的整层信息,从而可以得到一系列高度的整层湍流信息,最后通过算法得到分层的大气湍流廓线。介绍了湍流廓线激光雷达系统的组成原理和系统结构,采用像增强器的控制系统使得系统的有效测试距离达到15 km;通过与传统测量方法的对比,得出了可以作为湍流强度廓线测量工具的结论。最后展望了该系统的应用前景。

湍流廓线激光雷达的数据库系统管理设计

介绍了湍流廓线激光雷达的工作原理,并对如何将采集的文件信息进行数据库的编程管理进行了重点讨论。在分析数据中使用了基于COM组件的VC++和MATLAB混合编程方式,美化了作图界面,为我们实时的剔除无效数据,更新数据,是否重新采集等提供依据。

Hufnagel-Valley湍流强度廓线的高精度实时反演方法

分析了Hufnagel-Valley大气湍流模型参数反演的必要性,根据实时测量的大气相干长度和等晕角,反演该模型中的两个可调参数,并提出了改进的反演计算公式。数值仿真结果表明,改进公式弥补了原有公式在近地面湍流较弱时,不能有效反演高空风速参数的不足;适合于反演不同的湍流条件,提高了湍流强度廓线的反演精度:以两种典型的风速模型为例,改进公式反演的参数,相对误差均在0.5%以内;同时改进公式也减弱了相干长度和等晕角测量误差对反演的影响。

基于多孔径闪烁的湍流强度廓线反演方法研究

以多孔径闪烁方法的理论为基础,分别讨论了孔径滤波函数和光谱响应函数对权重函数的影响.根据包括边界层项的Hufnagel-Valley5/7模型得到的闪烁指数,采用奇异值分解法反演了垂直方向的湍流强度廓线,结果的量级介于10-15～10-17之间,并随高度的增加不断减小,在量级和趋势上与理论模型基本一致;同时结合Shack-Hartman的实际测量结果,反演了水平方向1km传输路径上的湍流强度分布状况.水平方向反演结果的量级在10-14～10-15之间,随传播距离的变化趋势与实验场地的实际情况较为符合,随时间的变化趋势与合肥地区同期的统计结果基本一致.

大气光学湍流廓线探测方法研究进展

激光在大气传输过程中,由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应,因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展。通过分析大气光学湍流对多个领域的影响,指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义。要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响,就必须对光学湍流进行准确的测量。以光学湍流特征参数为视角,介绍了目前国内外探测大气湍流廓线分布的方法和研究进展,总结了各技术方法的测量原理及优缺点。最后对拟开展的差分波前激光雷达探测大气湍流廓线的方法进行了简要介绍,该技术具有空间分辨率高且不存在聚焦焦移的探测优势。初步的仿真研究结果表明该雷达系统对大气光学湍流廓线的探测具有可行性。

改进的差分光柱像运动激光雷达的湍流廓线反演方法

阐述了差分光柱像运动激光雷达探测大气湍流廓线的基本原理,针对雷达现有Levenberg-Marquardt反演算法对高空湍流反演误差大的问题,提出了带不等式路径约束的反演新模型,并采用惩罚函数法处理该模型,通过增加高空湍流信息量,避免了非物理意义的反演解;同时为了减弱现有算法对初值和先验知识的依赖,进一步提出了基于遗传算法的初值寻优策略,能够将现有算法的初值定位在全局空间内。利用改进算法和现有算法数值仿真了典型的大气湍流廓线,并对合肥地区实测激光雷达数据进行了分析。结果表明,改进算法增强了迭代过程的全局搜索能力,对测量误差有较强的稳健性,能够有效提高反演精度和高空湍流的准确性,同时也加快了收敛速度。

利用激光风廓线雷达对海洋大气边界层高分辨率光学湍流估算模型的研究

在海洋地区利用相干多普勒激光风廓线雷达反演可以得到边界层内全天候大气光学湍流廓线。采用机器学习方法-后向传播神经网络进行训练得到边界层光学湍流估算模型,以探空实测常规气象参数作为模型输入参数估算不同日期不同时刻的边界层内大气光学湍流廓线,并与实测值进行比较。通过误差分析可知,白天和夜晚的估算光学湍流廓线均方根误差分别为0.4332和0.5626,相关系数分别为0.8899和0.7673。该研究表明,相干多普勒激光风廓线雷达反演的光学湍流廓线可以通过神经网络模型实现全天候对海洋大气边界层光学湍流廓线估算的功能,且效果较好,在光电工程及天文选址方面具有重要工程参考意义。

大型风电场实地测风数据精细化分析方法

“双碳”战略目标下,基地化、规模化开发已成为中国风电发展的主力和特色模式,研究大型风电场大气边界层流动的区域性风况变化与热力状态特征,对风能资源的精准评估与风电机组优化选址具有重要意义。提出了一种适用于大型风电场多点位测风条件下的实测数据精细化分析方法,通过对优选参考测风塔的条件性风况筛选,结合局地大气稳定度的判别,构建了中性、稳定、不稳定状态驱动下多点位测风数据集,探究了条件性风况下中性大气稳定度的湍流强度临界值,研究了不同大气稳定度下实地测风的空间变化特点。结果表明:在条件性风况的驱动下,参考测风塔处的风切变和湍流强度水平随着大气稳定度的提高,分别呈增大和降低趋势,中性状态下的风速与湍流强度廓线并不等同于包含所有热力状态数据的系综平均;不稳定大气驱动下,各测风塔处的风统计特征较中性大气下的变化幅度与趋势,相比于稳定大气驱动下的结果更为明显和一致。该方法得到的多点位测风数据集,可为特定风况下湍流模型与数值计算方法的适应性开发和修正,提供定量的数据验证支撑。

测量大气相干长度的数据处理算法比对研究

利用波面算法和差分像运动法对湍流强度廓线激光雷达采集的测量数据进行了处理,对两种不同数据处理算法得到的大气相干长度结果进行了比对分析,结果发现波面法第三阶系数方差得到的大气相干长度精度较高。

强台风海鸥登陆期间近地层风特性分析

利用位于海南文昌市的90 m测风塔观测的强台风海鸥多层测风数据,分析了台风海鸥登陆期间近地层风场时空特征、湍流强度、垂直风切变及阵风因子等风场特性,分析结果表明:台风海鸥登陆期间,近地层各高度风速呈现"M"型双峰特征,最大风速出现在台风后风圈;台风过境前后,风向旋转了180°;近地层风速随高度升高而增大,各高度风速垂直切变符合对数和指数规律;粗糙度长度、风廓线幂指数、湍流强度、阵风系数等风场特性与风速呈负相关关系,随着风速的增加而降低;从台风外围至台风眼,粗糙度长度随风速呈现"增大-减小-增大"特征;台风眼内部风速垂直切变剧烈,前后风圈的风速垂直切变较弱;强风区湍流强度较弱,弱风区湍流强度较强;台风风圈的湍流强度随高度增加而减小,台风眼内湍流强度随高度先减小再增加;台风影响各阶段阵风系数随高度升高而减小,各高度层阵风系数遵循指数定律;阵风系数随风速的增大而减小,当风速达到一定强度时,阵风系数随风速变化不明显。