基于短距相干测风激光雷达的机场低空风切变观测

介绍了低空风切变及其预警的研究工作、相干多普勒测风激光雷达反演风场算法以及计算下滑道逆风廓线算法.进一步分析了2015年冬季和2016年春季北京首都机场低空风切变观测实验中所观测到的风切变案例,利用多种测量模式开展案例中风切变的监测,并对风切变观测结果进行了验证.实验结果表明,短距相干多普勒测风激光雷达多种测量模式均可能有效探测低空风切变.     

基于相干多普勒测风激光雷达的不同成因类型的低空风切变观测

为实现不同成因类型的低空风切变观测,利用两台相干多普勒测风激光雷达在北京首都国际机场展开试验观测。针对干性雷暴和地形引起的两类风切变,分别采用多普勒波束摆动(Doppler Beam Swing,简称DBS)和下滑道两种扫描模式进行风切变的探测与识别。结果表明,DBS模式风切变识别方法可有效识别干性雷暴引起的水平低空风切变,下滑道模式可有效识别地形诱导的下滑道顺风和逆风风切变。干性雷暴造成的风速骤增、风向突变和上升下降气流的强烈对流是引发低空风切变的主要原因。地形诱导风切变主要由高速气流和复杂下垫面相互作用产生,具有偶发性和瞬变性的特点。     

基于斜坡检测的多普勒激光雷达低空风切变预警算法

提出了一种新的基于斜坡检测的激光雷达低空风切变预警算法,该算法将下滑道扫描与单双斜坡检测相结合。首先,把下滑道扫描方式下获取的激光雷达径向风速投影到下滑道上,进行数据重构。其次,对逆风风廓线进行单斜坡及双斜坡梯度变化的检测并以国际上规定的低空风切变阈值及风切变强度因子判别公式判断风切变。使用香港天文台实际激光雷达数据进行了实验验证,结果表明新方法能够检测出单斜坡未能检测出的风切变。该方法是有效的,对于提高风切变的预警率有重要意义。     

基于多普勒激光雷达低空风切变的数值仿真

多普勒激光雷达是目前在晴空条件下对低空风切变最有效的一种探测手段。完成了基于多普勒激光雷达探测所需的微下击暴流、侧风切变和低空急流等三维变化风场的数值仿真,仿真结果得到了各种风场的基本特征。依据多普勒激光雷达的波束扫描方式,选取雷达扫描仰角为5°,扫描半径为8 km,雷达径向步长为100 m来扫描仿真风场,最后得到雷达探测变化风场的仿真径向数据。这对于深入理解风切变的产生机理以及实现由激光雷达对风切变的探测、识别和预报等后续研究具有重要意义。仿真过程建立的变化风场模型简单,模型参数变化灵活、方便实用。     

激光雷达中基于组合纹理的低空风切变识别算法

针对不同的风切变在激光雷达图像上所呈现的不同纹理特性,提出了一种组合局部纹理特征和全局纹理特征的识别方法。先分别从激光雷达风切变图像中提取LBP特征和灰度-梯度共生矩阵特征,LBP特征反应图像的局部纹理,代表风场局部风速的变化,灰度-梯度共生矩阵特征反应图像的全局纹理,代表风场全局的风速变化,再通过典型相关分析对两种特征进行融合,最后采用最近邻分类器对三种风切变进行匹配识别。实验结果表明,该算法对三种低空风切变的平均识别率达到99.02%,与三种单一的纹理特征分类识别相比,分别提高了18.86%,5.88%和7.01%。     

激光雷达在机场低空风切变探测中的应用

简述了低空风切变及传统探测手段的局限,结合我国香港国际机场的最新研究进展,对多普勒激光雷达的测风原理、低空风切变探测中的自动识别算法及预警系统进行了综述,最后介绍了风切变探测目前存在的问题及最新发展:高性能、人眼安全激光等激光雷达新技术以及数据产品的开发利用是未来研究的重点。     

相干多普勒激光雷达技术

与传统微波雷达相比,激光雷达具有更高的空间分辨率和灵敏度。激光多普勒雷达作为有效的测速手段,已在遥感空中风场方面得到具体应用。该文介绍了国内外相干多普勒激光雷达的发展情况,并对固态相干多普勒激光雷达的基本组成、工作原理、回波机制以及检测信噪比作了比较详细的论述和分析。文中还结合固态相干激光雷达的特点对该领域的发展趋势作了展望：机载、星载相干激光多普勒雷达技术将得到迅速发展,在军事和民用方面有着广阔的应用价值。     

相干多普勒测风激光雷达研究

研制了一套用于大气风速测量的1.064 μm全固态相干激光雷达系统。该系统采用种子注入 Nd∶YAG脉冲单频激光器作为光源。激光的脉冲能量为0.5 mJ,脉冲宽度(FWHM)为80 ns。 利用40 m处的转轮进行了硬靶速度校正实验(速度测量误差的方差为0.23 m/s),并对大气视向风速进行了测量(探测距离可 到达400 m)。在对系统进行初步优化后,获得了30 ～ 870 m的视向风速分布曲线。     

固体相干激光雷达多普勒测速实验

采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的Q开关高重复频率Nd:YAG激光器为发射源,同时运用温度反馈控制,使种子光源和从动激光器自由振荡频率相匹配,实现稳定的单频输出.采用外差式相干探测的方法,测量运动目标的多普勒频移,从而达到测量运动物体速度信息的目的.根据实验现象,分析失谐频率△ω对外差探测的影响,提出了改进措施并应用于实验.比较已观测到的实验数据与理论计算值分析误差来源.     

基于激光雷达图像处理的低空风切变类型识别研究

基于多普勒激光雷达,结合大气流场理论实现对下击暴流、侧风切变、低空急流及顺逆风切变四种低空风切变的三维模拟仿真,建立雷达图像样本库,解决了风场数据难以获得及样本库难以建立的难题。基于图像处理方法实现风切变类型识别,针对同类样本差异较大的难题,采用多特征提取方法提取图像的形状特征和纹理特征进行组合识别。同时,采用基于SOM-SVM的二次识别算法实现了对缺失信息的图像的有效识别,提高了整体识别率。与传统的风切变研究相比,所用方法忽略气象因素,完全转化为图像处理问题,实现了低空风切变的类型识别,识别率达到97%。     

基于激光雷达数据的首都机场风场模拟

低空风效应是指在特定的风况条件下,机场建筑物或其他位于跑道附近的人工结构对气流 造成显著扰动的现象,该效应易引起湍流甚至是出现风切变,进而给飞机的升降过程带来困难。 采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics, CFD)方法对首都机场进行风场模拟, 并基于CFD在输入风速设置上的局限性,提出一种将高精度、高分辨率的激光雷达测风数据 导入CFD的方法,来研究这些地物对首都机场风速的影响。通过对模拟结果的分析,在风速 为11~15 m/s的西北风条件下的东跑道以及在同等风速的东南风条件下的西跑道与中间跑道均受到较大影响。     

测风激光雷达的软件设计

介绍了多普勒测风激光雷达运行控制的设计与实现,包含对激光器、二维光束扫描单元、双Fabry-Perot标准具和光子计数卡的控制.运行控制软件采用Microsoft Visual Basic 6.0语言编写,界面简洁,操作方便,实现了多普勒测风激光雷达系统的长时间无人看守连续工作.     

深圳地区多普勒测风激光雷达的湍流观测

激光雷达可以快速实现对大气风场的非侵入测量, 获得精确三维风矢量。为验证测风激光雷达观测湍流的可 行性并获得湍流观测特征, 利用相干多普勒激光雷达在深圳杨梅坑进行湍流观测实验。依据 Reynolds 分解原理, 应用 小波分解获取湍流脉动并分析大气的湍流运动特征。结果表明: 观测地日平均湍流强度呈现“单峰单谷”结构, 与实验 期间气温的变化呈现较高相关性; 湍流动能引起垂直方向上的输送主要集中在日间 12:00 后, 与湍流耗散率的相关系 数达 0.77; 湍流功率谱密度在惯性副区内基本符合 Kolmogorov“-5/3” 定律。研究结果验证了测风激光雷达可以较为 精确地估算湍流参数。     

相干激光测风雷达信号提取与仿真

讨论了将脉冲信号积累应用于相干激光雷达的具体方法,并利用Simulink软件平台对信号处理过程进行仿真。由仿真结果可知,在相应的设定下,进行0.028 s以上的相干积累,信噪比(SNR)增益可达22 dB以上;如果在0.007 s内先进行短时相干积累,再进行非相干积累,当积累总时间超过0.020 s时,信噪比增益将达到18 dB 以上。     

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.     

基于菲索干涉仪的边界层测风激光雷达研究

分析了多光束菲索( Fizeau)干涉仪的光学特性,以及影响干涉光谱性能的参数,并研 究了激光雷达系统接收信号能力,提出了一套基于Fizeau干涉仪和CCD探测器的边界层测风激光雷达系统。利用标准大气参数和切合实际的激光雷达系统参数,对干涉仪进行优化设计模拟计算,得到了合理的参数,满足边界层1m / s风速测量精度要求。     

基于法布里-珀罗标准具的测风激光雷达探测数据分析

利用多普勒测风激光雷达(DWL)进行实地风场探测,对探测数据进行深入分析。介绍了基于三通道法布里-珀罗(FP)标准具的多普勒频率检测等基本原理,给出了DWL结构组成和系统参数;并分别给出了该DWL与风廓线雷达(WPR)低空对比探测数据、与气球探空仪高空对比探测数据,结果表明,低空数据的风速偏差在0.1~1.2 m/s,风向偏差在1°~9°之间,高空数据的风速偏差在0.1~2 m/s之间,风向偏差在1°~12°之间,表现出良好的一致性;对DWL数据精度进行分析,得出光束入射角、发散角、信噪比和探测器是影响精度主要因素的结论,从标准具透射率扫描拟合曲线入手,计算得出该型DWL实际探测偏差值高出理论值2.07%。