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基于碘分子滤波器的测风激光雷达反演算法优化研究

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基于碘分子滤波器的测风激光雷达反演算法优化研究

作者：冯长中中国海洋大学

学位级别：硕士

测风激光雷达已经成为大气风场测量的最有效工具之一，风场反演算法直接影响激光雷达的测量精度和性能。为了提高风场测量精度，优化反演算法是一个重要途径。本文针对基于碘分子滤波器的测风激光雷达，在原有的风场反演算法的基础上，... 详细信息

测风激光雷达已经成为大气风场测量的最有效工具之一，风场反演算法直接影响激光雷达的测量精度和性能。为了提高风场测量精度，优化反演算法是一个重要途径。本文针对基于碘分子滤波器的测风激光雷达，在原有的风场反演算法的基础上，优化风廓线反演算法，并开展了双多普勒激光雷达反演水平风场的算法研究。本文首先介绍了基于碘分子滤波器的测风激光雷达硬件系统以及大气后向散射信号的光谱组成;其次介绍了风速测量原理和目前使用的直接测量灵敏度的风廓线反演算法。论文主体部分是优化风廓线的反演算法和研究双多普勒激光雷达水平风场反演算法。优化风廓线反演算法有三个部分：首先，分析了灵敏度非线性误差的影响因素，对比了不同气溶胶含量和高度下的误差，提出了利用查找表校正灵敏度非线性误差的方法，利用激光雷达与探空气球的同步观察数据证明该方法的有效性，两者的均方根误差从2.52m/s降低到2.31m/s，约8.3%;其次，少云天气下利用VAD方法从激光雷达径向风速PPI数据反演风廓线时要考虑气溶胶的影响，本文将Fernald方法的反演气溶胶消光系数用于径向风速的质量控制，结果表明该方法可以提高少量云时的风廓线反演精度;最后，优化了目前原始数据融合算法，提高了低空的风场测量精度。双多普勒激光雷达可以提高水平风场的测量精度，本文使用激光雷达多仰角PPI数据开展双多普勒激光雷达水平风场反演算法研究：首先，介绍了双多普勒激光雷达反演水平风场的原理和方法;其次，给出了水平风场反演结果并对结果进行了分析。另外，根据激光雷达数据特点和风场参数的要求，将数据划分为三个等级便于数据管理和用户使用并根据实际的数据处理工作的需要，研究并开发了基于MATLAB GUI的激光雷达数据处理软件。

关键词：测风激光雷达算法优化碘分子滤波器风廓线灵敏度非线性误差双多普勒激光雷达

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激光雷达探测信号数据融合算法

光子学报 2018年第6期47卷 93-101页

作者：冯长中吴松华刘秉义中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100

提出基于二次多项式拟合的数据融合算法用于激光雷达信号探测.充分考虑模拟探测和光子计数的非线性关系,选择有效增大数据融合区间;分析云对区间内的模拟探测和光子计数数据质量的影响并进行质量控制,获得稳定的融合系数;同时利用模拟... 详细信息

提出基于二次多项式拟合的数据融合算法用于激光雷达信号探测.充分考虑模拟探测和光子计数的非线性关系,选择有效增大数据融合区间;分析云对区间内的模拟探测和光子计数数据质量的影响并进行质量控制,获得稳定的融合系数;同时利用模拟探测和光子计数的非线性关系校正脉冲堆积引入光子计数信号的非线性误差.以直接探测多普勒激光雷达为例,开展与探空气球的同步对比实验.结果显示:本文算法较之现有商用算法,风速相关系数从0.8提高到0.85,均方根误差从3.37 m/s降低至2.41 m/s,偏差从0.60 m/s降低至0.06 m/s,证明改进后的融合算法能够有效提高直接探测多普勒激光雷达风场探测的精度,可更好地应用于大气探测激光雷达的远场和近场信号的融合处理.

关键词：激光雷达光电探测光子计数模拟探测融合系数

梯度下降VAD方法的单多普勒激光雷达风场探测技术

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红外与激光工程 2018年第11期47卷 50-58页

作者：冯长中吴松华黄海广王贵宁中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100

速度方位显示(Velocity-Azimuth Display, VAD)方法作为一种基于单部激光雷达和同一高度风场均匀的假设前提来反演风场的通用方法已经在业界得到广泛应用,但其对激光雷达扫描方位角的范围和径向个数的严格要求在一定程度上影响了激光雷... 详细信息

速度方位显示(Velocity-Azimuth Display, VAD)方法作为一种基于单部激光雷达和同一高度风场均匀的假设前提来反演风场的通用方法已经在业界得到广泛应用,但其对激光雷达扫描方位角的范围和径向个数的严格要求在一定程度上影响了激光雷达的测量效率。基于此,提出了一种基于梯度下降算法的VAD风场反演方法。使用梯度下降算法代替目前VAD中的傅里叶级数展开求解的方法。在分析了算法收敛性影响因素的基础上,确定了算法迭代步长和迭代次数,从而改善了算法的收敛性,提高了运算速度。与标准风杯风速计(IEC 61400-12-1)的同步对比实验结果显示:该方法在激光雷达扫描范围降低到60°和扫描径向个数降低到7个的情况下,10 min平均的风速、风向相关系数达到0.99,风速标准偏差、偏差分别为0.52 m/s和0.02 m/s,风向的标准偏差和偏差分别为5.1°和3.6°。结果证明了该方法在提高激光雷达测量效率的同时仍能保证其准确性,具有更强的适用性,可有效提升系统对于动态大气风场监测能力。

关键词： VAD风场反演方法梯度下降多普勒激光雷达

相干多普勒激光雷达观测渤黄海海洋大气边界层高度研究

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光学学报 2015年第A01期35卷 1-7页

作者：王东祥宋小全冯长中王希涛吴松华中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100

2014年4月27日至2014年5月19日在“国家自然科学基金委2014年渤黄海共享航次春季航次”中，中国海洋大学利用自行研制的相干多普勒激光雷达在渤黄海32°N～40°N，118．5°E～125．3°E区域内观测海上大气边界层结构。相干多普勒激光雷... 详细信息

2014年4月27日至2014年5月19日在“国家自然科学基金委2014年渤黄海共享航次春季航次”中，中国海洋大学利用自行研制的相干多普勒激光雷达在渤黄海32°N～40°N，118．5°E～125．3°E区域内观测海上大气边界层结构。相干多普勒激光雷达垂直指向发射激光和接收回波时，利用不同高度距离库内快速傅里叶变换谱的峰值计算了信号的信噪比，基于梯度法从信噪比廓线数据反演和提取大气边界层高度。该结果与同步的探空仪数据、Vaisala商业化的CL31型云高仪边界层高度进行对比，相干多普勒激光雷达结果与探空仪位温数据提取结果的相关性为79％，标准差为610m；相干多普勒激光雷达与探空仪相对湿度数据提取结果的相关性为90％，标准差为370ITI；相干多普勒激光雷达与云高仪获取结果的相关性为94％，标准差为320m。

关键词：遥感相干多普勒激光雷达大气边界层高度探空仪信噪比

相干测风激光雷达VAD风场反演的数据质量控制方法

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红外与激光工程 2018年第2期47卷 147-154页

作者：王贵宁刘秉义冯长中吴松华刘金涛王希涛李荣忠中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100 青岛航天海鹰环境科技有限责任公司山东青岛266100

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... 详细信息

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%。

关键词： VAD反演算法相干测风激光雷达数据质量控制

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车载测风激光雷达风廓线同步观测实验

量子电子学报 2013年第1期30卷 52-56页

作者：刘秉义冯长中陈玉宝高玉春陈超张冰靳磊闫宝东刘智深中国海洋大学海洋遥感研究所山东青岛266003 中国气象局气象探测中心北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：遥感风廓线多普勒激光雷达测风激光雷达同步比对

土木工程智能化监测评估系统的理论研究及应用

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工业建筑 2021年第12期51卷 102-106页

作者：张兴斌杨昕光潘蓉冯长中朱建国张忠中冶建筑研究总院有限公司北京100088 生态环境部核与辐射安全中心北京100082

实现土木工程的智能监测和评估是一项复杂的涉及多理论与技术交叉的系统工程。提出了一种土木工程结构智能监测与评估系统,可为核电厂房、大跨桥梁、工业建筑等大型土木工程、基础公共设施的安全运行与科学管理提供技术支持。该系统主... 详细信息

实现土木工程的智能监测和评估是一项复杂的涉及多理论与技术交叉的系统工程。提出了一种土木工程结构智能监测与评估系统,可为核电厂房、大跨桥梁、工业建筑等大型土木工程、基础公共设施的安全运行与科学管理提供技术支持。该系统主要有监测系统、计算及评估系统、可视化系统组成,主要功能为对工程结构进行实时、有效的监测,并对监测数据进行处理、分析,同时根据结构的具体特点,借助数字映像技术和快速且科学的算法,计算得到结构的内在物理本质,对结构各种工况进行模拟、分析和研究,评估结构的安全性,并通过计算机图形显示技术,客观、真实地将结构状态予以显示。通过两个应用实例,说明采用该土木工程智能监测和评估系统不仅可实现监测信息的实时有效采集、传输和存储,而且借助快速、科学的算法,可得到结构的实际性能情况,并进行三维可视化展示,为土木工程安全建设、运行、科学管理和决策提供技术支持。

关键词：土木工程结构安全性智能监测和评估三维可视化

小型脉冲相干多普勒激光雷达青藏高原风场探测实验

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小型脉冲相干多普勒激光雷达青藏高原风场探测实验

创新驱动发展提高气象灾害防御能力——第30届中国气象学会年会

作者：王希涛陈玉宝戴光耀冯长中刘秉义吴松华中国海洋大学中国气象局气象探测中心

小型相干多普勒激光雷达主要测量低空边界层以下的风场,具有测量精度高,风场数据更新快的优点。风速的测量误差<0.5m/s,风场数据更新速率<1min。同时由于系统采用全光纤的光路结构,使系统可靠稳定,而且集成化程度高,便于拆装。2013年7... 详细信息

小型相干多普勒激光雷达主要测量低空边界层以下的风场,具有测量精度高,风场数据更新快的优点。风速的测量误差<0.5m/s,风场数据更新速率<1min。同时由于系统采用全光纤的光路结构,使系统可靠稳定,而且集成化程度高,便于拆装。2013年7月15日至30日小型相干多普勒激光雷达参加了第三次青藏高原的气象科考实验,连续稳定的每天完成12小时的风场测量任务,获得大量可靠的高原风场数据,并成功观测到多次的云下风场数据。

关键词：脉冲相干多普勒激光雷达高原气象全光纤

来源： cnki会议评论

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一种计算预应力构件作用力的迭代差分方法

工业建筑 2024年第8期54卷 157-162页

作者：张兴斌张家臻庄艺斌李晓东冯长中易桂香中国建筑科学研究院有限公司北京100011 纽约市哥伦比亚大学纽约10027 中冶检测认证有限公司北京100088

对预应力构件施加作用力时,由于预应力筋往往是曲线布置,同时预应力筋与波纹管之间存在摩擦,使得预应力筋的拉力T会发生变化,同时预应力筋曲率的存在,会在曲线法向方向产生法向压力P,法向压力产生摩擦力F。拉力T、法向压力P、摩擦力F都... 详细信息

对预应力构件施加作用力时,由于预应力筋往往是曲线布置,同时预应力筋与波纹管之间存在摩擦,使得预应力筋的拉力T会发生变化,同时预应力筋曲率的存在,会在曲线法向方向产生法向压力P,法向压力产生摩擦力F。拉力T、法向压力P、摩擦力F都会在混凝土内产生内应力。对于某些特殊形式的结构,内应力只是直接与法向压力P有关,只有得到法向力才能准确计算结构应力。拉力T目前已有准确的计算方法,法向压力P、摩擦力F可以有微分解,但工程上却无法使用。针对预应力设计中张拉力的计算需求,根据牛顿力的平衡定律,使用差分形式,借助于迭代方法,提出了一种快捷准确的张拉作用力计算方法,推导了同步计算张拉力T、摩擦力F和法向压力P的一般性的差分计算方程组,使用该方程组可计算各种复杂预应力构件的作用力,为预应力构件设计提供强大的计算工具。

关键词：预应力张拉力法向力摩擦力差分法迭代法