相干多普勒激光雷达风场反演方法研究与实验印证

提出基于共轭梯度算法的速度方位显示(VAD)风场反演方法,应用最优化理论,将共轭梯度算法代替传统VAD方法中的傅里叶级数展开来求取最优解,并针对算法在风场反演应用时存在不收敛于最优解的问题,使用Hessian矩阵对算法进行了修正。同时开展了多普勒激光雷达与符合IEC 61400-12-1国际标准的高精度风杯风速计的43天对比实验,结果显示,当激光雷达的方位角扫描范围为60°、径向个数为7个时,两者的风速、风向相关系数分别为0.991和0.998,风速、风向标准偏差分别为0.52m/s和5.1°,风速、风向偏差分别为-0.02m/s和3.6°。对比实验结果表明,基于共轭梯度算法的VAD风场反演方法使用较小的扫描方位角仍能保证其测量的准确性满足国际标准,具有更强的适用性,同时印证了激光雷达系统的测量性能,为动态复杂风场的监测提供了更佳的选择。     

相干测风激光雷达VAD风场反演的数据质量控制方法

相干测风激光雷达扫描测量模式下使用速度方位显示（VAD）方法反演水平风场时,若不进行质量控制,会使拟合数据精度大幅降低。基于最小二乘VAD拟合算法,通过分析相干测风激光雷达扫描测量模式中的多种误差源,设置了信噪比、数据残差、扫描区间有效数据、数据有效率四个判据对参与拟合的数据质量进行控制,进而提出了基于以上判据的VAD逐级拟合质量控制方案,设计了数据质量控制流程,并对该方法进行了实验验证。通过对2 955组10 min平均激光雷达测风数据与高精度风杯数据进行对比分析,结果表明:经VAD逐级拟合质量控制流程后,风速均方根偏差从0.97 m/s降低到0.54 m/s,比对偏差降低约44%,风向均方根偏差从7.47降低到5.55,比对偏差降低约26%。     

直接探测多普勒激光雷达的光束扫描和风场测量

介绍了直接探测多普勒激光雷达的系统结构和主要参数，给出了该系统进行大气风场测量的光束扫描方法，详细推导了三维风场的计算公式，给出了其风速和风向误差的求解方法。在径向风速均为1 m/s和扫描角度误差均为1°的情况下，水平风速和风向的误差分别为1.155 m/s和0.707°。给出了合肥地区对流层风场的测量结果，结果表明，采用该方法测量大气风场是切实可行的。     

三通道瑞利散射测风激光雷达风速反演算法

为了获得更为准确的大气风速廓线,使用国内首台基于三通道Fabry-Perot标准具的瑞利散射测风激光雷达进行风场测量,提出了根据实测数据及时调整标准具位置的激光频率反演方法。此方法有效减小了激光频率漂移和抖动造成的反演误差,同时对传统风速算法进行了改进。利用非线性迭代算法处理数据,通过对两种算法处理结果的比较,发现迭代算法具有更高的反演精度。使用非线性迭代算法对三通道瑞利散射多普勒测风激光雷达风场测量数据进行处理,得到了10km～40km的大气风速廓线。结果表明,此种风速反演算法切实可行,并提高了反演精度。     

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.     

基于双F-P标准具的直接探测测风激光雷达

研制了基于双F-P标准具直接探测的地基测风激光雷达.简要回顾了双边缘直接探测技术,介绍了系统结构与控制.为验证系统测量结果的准确性,研制了多普勒校准仪.在+40 m/s动态范围内的校准实验表明:当累计光子数达到2 000时,测风激光雷达系统对靶盘径向转速测量的标准误差为0.6 m/s.风场观测初步对比实验时,测风激光雷达的测量结果与风廓线测量结果一致.给出了24 h连续大气风场观测的结果:风场观测的垂直分辨率为21.2m,每个径向观测的累积时间1 min,当激光雷达扫描视场内有云层时,测风激光雷达的探测高度可达10 km.     

2 μm星载相干测风激光雷达风速及风向误差建模与分析

基于全微分和统计理论推导了星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差的解析表达式,利用克拉默-拉奥误差下界代替Frehlich经验公式对风场的随机风速误差进行评估,建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型.在NASA/NOAA提出的星载测风激光雷达系统设计指标框架下,对风速及风向误差模型进行可行性分析,得到了总的径向随机误差随着探测距离的变化关系及水平风速区间的选取对随机误差的影响.同时,为了计算合成采样误差,改变不同的垂直分辨率和方向角取值,对水平分量的采样误差进行对比分析.仿真结果表明,合成的水平风速和风向的误差范围为0.8~3.2 m/s和2.38°~3.49°,基本符合星载测风激光雷达的相关指标要求.     

高分辨率变焦式连续波测风激光雷达设计与实验

为实现近场风场的非接触式高分辨、高精度测量, 弥补脉冲相干测风激光雷达在近场风场测量存在盲区的缺 陷, 选用对人眼安全的 1550 nm 工作波长的高功率连续波光纤激光器作为光源, 基于激光多普勒相干测风原理, 通过 改变连续波激光聚焦位置实现风场不同位置的风速探测。为提高系统的信噪比 (SNR), 优化选取了当前系统本振光功 率参数; 并通过优化设计 “有效频谱质心” 算法, 对连续波测量体积内存在多个速度分量数据进行处理, 从而提高数据 反演精度。使用该激光雷达系统与超声波风速计进行对比实验, 风速数据相关性为 0.98, 标准差为 0.16 m·s−1。在此基 础上, 利用该激光雷达系统进行长期风速观测实验, 选取不同天气气溶胶含量差别较大的多组数据进行分析, 同时对 近地面及近建筑物风场内风速的变化进行了探究。局地风速观测实验结果表明, 该激光雷达系统的风速测量区间为 0.3∼18 m·s−1, 风场测量位置 2∼30 m, 能够实现风场风速梯度的连续测量。     

基于单多普勒激光雷达的机场风场预报方法

基于机场上空的低空小尺度天气系统风场结构以及单多普勒激光雷达测风原理,对已有变分同化方法和涡度-散度风场反演方法进行改进,利用变分同化方法对由单多普勒激光雷达所测的径向风速进行同化,预报它在未来时序时的估计值,再利用改进的涡度-散度方法对预报的径向风速进行反演,实现对三维风场的反演,从而成功实现对风场的预报.最后,通过对机场上空的天气结构仿真,分析了这种方法对径向风速实现的三维风场的预报的优缺点及其误差.     

基于线型预测频谱估计的相干激光雷达功率谱分析方法EI北大核心CSCD

基于多普勒效应的相干激光雷达广泛应用于测风等大气探测领域,实际应用于风场观测时,由于噪声杂波干扰、回波信号较弱和风场不均匀性等影响了多普勒频移估计的精度。为准确估计激光雷达弱回波信号中的多普勒频移,提升相干测风激光雷达的探测距离和探测精度,文中开展了基于激光雷达功率谱信号的多普勒频移估计算法以及探测性能提升的评估研究。在快速傅里叶变换的基础上,提出了一种结合线性预测频谱估计与导数增强方法的功率谱分析方法,通过与常用的最大似然离散谱峰值频移估计算法(ML DSP算法)进行比较,验证了文中方法在相干测风激光雷达微弱信号频移估计过程中的优势。风速数据的时间及空间相关性分析结果表明,功率谱分析方法具有更好的风速估计稳定性,有效风场探测距离相较ML DSP算法提升了73%。与超声风速计对比结果表明,文中提出的综合算法在弱信号情况下的风速测量精度高,风速结果与超声风速计的标准偏差相较ML DSP算法降低了0.23 m/s,偏离率BIAS降低了0.3 m/s,有效提高了低信噪比范围内多普勒频移估计的精度。     

相干激光测风雷达风场测量技术

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XXX工程中。该激光测风雷达工作于人眼安全波段,系统结构设计紧凑,性能可靠,可实现远距离风速测量。首先对相干激光测风雷达风速测量精度进行了理论分析,然后采用放置于103 m高塔上的超声风向风速仪和探空气球作为雷达指标的测试工具,对激光雷达进行外场试验,验证设备的性能。经过试验结果分析,风速数据相关性达95%以上,标准差优于0.8 m/s,风向数据相关性达98.6%以上,标准差优于5。与国外相关激光测风雷达测量精度相当,表明激光测风雷达具有优良的性能,将成为广泛应用的风场测量工具之一。     

星载光子计数激光雷达海面点云仿真方法

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达,已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响,海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化,因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化,潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论,结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入,仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布,通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型,分析了不同风速条件下,光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明,光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面,且测量偏差和标准差随风速增加而增大,当风速为10m/s,累计脉冲次数为100次时,测量偏差约为-2.5 cm,标准差为3.6 cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。     

3维激光测风雷达技术研究

为了精确测量3维大气风场的实时状态以应对低空风切变在飞行器起降过程中给飞行器带来的多种问题,通过DBS四波束风场反演原理研制出一款小型3维激光测风雷达。对大气风场展开测风试验并获取风场数据,并与其它标准测风设备的数据对比分析。结果表明,雷达在晴天和阴天的天气状况下均可以实现对大气风场的有效测量,风速均方根误差0.42m/s,风向均方根误差5.33°。该雷达精准度高、稳定性好,对风切变预警、中低空大气风场预报及飞行器飞行通道的风场测量具有重要作用。     

高光学效率相干多普勒激光雷达的测风性能分析与测试

近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备,可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 m波段,望远镜直径50 mm,时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比,验证了系统测量距离达到5 km。之后,通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980,标准差为0.235 m/s,风向数据相关系数达0.993,标准差为3.105。表明该相干激光雷达具有优良的性能,可以应用于大气边界层内的风场探测。     

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。本文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。     

基于激光雷达脉冲特性的湍流风速估计方法

提出了一种基于激光脉冲距离权重函数的湍流风场速度估计的方法,可以解决多普勒信息探测晴空湍流风场中精细化的风速测量问题。算法以划分的距离门为单位对速度值进行空间平均,将各距离单元速度与激光脉冲距离权重函数进行卷积运算得到风速的局部估计值。并考虑高斯激光脉冲在湍流风场中的有效空间展宽传输特性,根据直接选取距离门中心位置的速度估计方法和快速的线性平均近似方法的处理过程,引入激光脉冲的传输特性来表达湍流径向风速的统计平均值,以实现湍流风速的测量以及激光雷达在探测湍流上的应用。实验结果表明,在有明显湍流条件的风场环境中,脉冲距离权重方法比线性平均方法在保留真实风场属性的前提下具有相对更小的速度标准差,显示出较好的风速修正效果,提高了激光雷达对湍流风场的测速性能。     

激光测风雷达VAD反演方法的数值优化

为了提高多普勒激光测风雷达反演风场的速度和精度,采用Newton-Gaussian最小二乘优化方法对风场反演模型进行数值求解,并对Newton-Gaussian法的步长和初值进行讨论和调整,使得此算法的鲁棒性更强,同时也降低了传统速度方位显示反演方法中固有缺陷的影响.将其应用到研制的全光纤多普勒激光测风雷达系统中,实现了对低中空局部风场的反演.结果表明,该算法不但提高了风场反演的速度和精度,而且反演结果更稳定,适合实时计算.     

多普勒测风激光雷达与 L 波段探空对比分析

利用北京国家基本气象站内多普勒测风激光雷达和 L 波段探空系统在 2020 年 1 月 1 日至 5 月 31 日期间进 行了同步观测试验, 在经过观测数据时间和空间匹配的基础上, 以后者测风数据为参照标准, 从探测风廓线的高度、 风向和风速三个方面的一致性分析了激光雷达的测风数据质量。结果显示: 在观测试验期间, 激光雷达 56.5% 的观测 时间里最大探测高度不低于 2000 m, 2.9% 的观测时间最大探测高度不足 1000 m; 激光雷达探测获取的水平风向、风 速与 L 波段探空系统具有较好的一致性, 针对匹配得到的 8491 组对比观测数据, 其风向和风速数据拟合总相关系数 分别为 0.965 和 0.986; 总体风向、风速的平均偏差和均方根误差分别为 −1.3◦ 和 16.1◦、0.21 m·s −1 和 1.06 m·s −1 ; 在 2000 m 以上高度, 由于激光雷达观测数据的信噪比偏弱, 获得可信的观测数据量减少, 会对风向、风速一致性比对造 成不利影响。