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激光测风雷达在风场观测领域的应用及展望

空气动力学学报 2021年第4期39卷 172-179页

作者：傅军李洁吴强浙江理工大学建筑工程学院杭州310018

多普勒激光测风雷达因具有高测量精度、高时空分辨率等优势,在晴空天气的风场观测中发挥着重要作用。本文综述了激光测风雷达技术的应用价值以及国内外测风雷达技术与设备研究现状。针对激光测风雷达所存在的问题进行分析,提出其需进一... 详细信息

多普勒激光测风雷达因具有高测量精度、高时空分辨率等优势,在晴空天气的风场观测中发挥着重要作用。本文综述了激光测风雷达技术的应用价值以及国内外测风雷达技术与设备研究现状。针对激光测风雷达所存在的问题进行分析,提出其需进一步研究的方向。对激光测风雷达在风场的应用、雷达中尺度数据与CFD(Computational Fluid Dynamics)结合应用进行分析总结,重点对某沿海地区风场进行多维度分析。分析结果得出:应用激光测风雷达能提高对风场数据获取水平,为进一步获取更为精准的风场信息,可将激光测风雷达观测的数据和CFD数值模拟等进行综合分析。最后对激光测风雷达设备在技术参数等方面提出展望。

关键词：激光测风雷达大气风场测风设备中尺度模拟 CFD 风环境评价

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基于激光测风雷达的机场低空风切变识别算法

红外与毫米波学报 2020年第4期39卷 462-472页

作者：范琪郑佳锋周鼎富朱克云张杰童文皓罗雄西南技术物理研究所四川成都610225 成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225

介绍了低空风切变识别的研究情况,提出了一种基于激光测风雷达的机场低空风切变识别算法,针对性设计了重点监测区域和告警方式;并于2016年春季和2018年春夏季,在气候、地形复杂度不同的多个机场进行低空风切变监测试验,通过分别与国外... 详细信息

介绍了低空风切变识别的研究情况,提出了一种基于激光测风雷达的机场低空风切变识别算法,针对性设计了重点监测区域和告警方式;并于2016年春季和2018年春夏季,在气候、地形复杂度不同的多个机场进行低空风切变监测试验,通过分别与国外某型激光测风雷达以及同时段航空器报告结果做对比,评估本文算法的切变识别能力。试验结果表明,本文算法可以有效监测到激光测风雷达探测范围内的低空风切变,命中率可达88%以上。

关键词：低空风切变激光测风雷达航空安全

光源线宽对相干激光测风雷达探测性能的影响分析

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红外与激光工程 2019年第4期48卷 123-128页

作者：冯力天赵培娥史晓丁靳国华杨泽后周鼎富侯天晋西南技术物理研究所四川成都610041

使用窄线宽激光源是相干激光测风雷达的特点之一,为研究不同线宽光源对激光测风雷达探测性能的影响,从理论分析了在相干长度内、外时光电流的频谱特性,并使用了三种不同线宽的激光光源进行实际的测风试验。试验表明,当探测距离在相干长... 详细信息

使用窄线宽激光源是相干激光测风雷达的特点之一,为研究不同线宽光源对激光测风雷达探测性能的影响,从理论分析了在相干长度内、外时光电流的频谱特性,并使用了三种不同线宽的激光光源进行实际的测风试验。试验表明,当探测距离在相干长度外时,100 kHz光源信号幅度较1 k Hz与10 kHz两种光源下降约30%,且部分频段噪声幅度较大。因此,在设计中近程激光测风雷达,可考虑选用百kHz量级线宽光源,而探测距离数千米甚至更远的中远程激光测风雷达,可考虑选取几十千赫级线宽光源。

关键词：线宽相位噪声相干长度激光测风雷达

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应用于区域三维风场测量的船载激光测风雷达

红外与激光工程 2020年第S02期49卷 49-55页

作者：周杰杨泽后宋帅张国娟毛一江李晓锋金凡皓冯力天陈春利周鼎富西南技术物理研究所四川成都610041 北京理工大学物理学院北京100081 32033部队海南海口571100 北京理工大学光电学院北京100081

针对区域风场测量在海上风能资源评估、海洋灾害天气防控等方面存在广泛的应用前景,研制了一种船载激光测风雷达,采用全光纤脉冲相干探测原理,结合组合惯导进行风场数据校正,完成三维风场测量。可克服运动中船的姿态、速度等因素对多普... 详细信息

针对区域风场测量在海上风能资源评估、海洋灾害天气防控等方面存在广泛的应用前景,研制了一种船载激光测风雷达,采用全光纤脉冲相干探测原理,结合组合惯导进行风场数据校正,完成三维风场测量。可克服运动中船的姿态、速度等因素对多普勒频移的影响,实时获取航线上更准确的中低空风场信息。通过船载激光测风雷达与地基激光测风雷达三维风场探测对比试验,验证了船载激光测风雷达三维风场测量数据的准确性。在船载试验中,以地基激光测风雷达作为标准器,船载激光测风雷达的风速、风向及垂直气流测量误差分别为0.52 m/s、6.24°和0.34 m/s。

关键词：激光测风雷达船载大气风场测量

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临近空间激光测风雷达原理样机和实验进展

中国激光 2020年第8期47卷 240-247页

作者：刘菲菲毕德仓刘恒原禄城王明建竹孝鹏刘继桥陈卫标中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室上海201800 上海科技大学物质科学与技术学院上海201210 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光工程技术实验室上海201800 中国科学院大学北京100049

临近空间风场数据对飞行器的姿态控制和飞行安全具有重要意义。针对中国科学院上海光学精密机械研究所自行研制的可搭载于临近空间飞行器的直接探测多普勒激光测风雷达(DWL)原理样机,介绍了其工作原理、系统结构,并给出了相关的技术参... 详细信息

临近空间风场数据对飞行器的姿态控制和飞行安全具有重要意义。针对中国科学院上海光学精密机械研究所自行研制的可搭载于临近空间飞行器的直接探测多普勒激光测风雷达(DWL)原理样机,介绍了其工作原理、系统结构,并给出了相关的技术参数。对该DWL原理样机进行了地面自测试实验,并将反演结果与相干探测激光测风雷达(CDL)和探空气球的测量结果进行了对比。结果显示:该DWL原理样机反演的近地面的风速风向结果与CDL和探空气球的测量结果具有良好的一致性。在0.3~1.1 km的高度范围内,以CDL的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差(RMSE)为1.38 m/s,风向均方根误差为9°;在0~3 km的高度范围内,以探空气球的测量结果为基准,该DWL原理样机反演的风速均方根误差不大于2.1 m/s,风向均方根误差不大于10°。

关键词：遥感激光测风雷达多普勒频移风场探测数据对比

应用于民航机场风切变探测与预警的三维激光测风雷达

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光子学报 2019年第5期48卷 186-196页

作者：冯力天周杰范琪陈永雄刘志平卢明腾周鼎富侯天晋西南技术物理研究所

针对民航机场风切变探测与预警,研制了一种三维激光测风雷达,采用全光纤脉冲相干探测体制,结合独特的二维光电扫描球结构,以及新的下滑道扫描策略,以实现下滑道迎头风与侧风切变的同时测量.2018年3月至11月,利用该雷达在多种工作模式下... 详细信息

针对民航机场风切变探测与预警,研制了一种三维激光测风雷达,采用全光纤脉冲相干探测体制,结合独特的二维光电扫描球结构,以及新的下滑道扫描策略,以实现下滑道迎头风与侧风切变的同时测量.2018年3月至11月,利用该雷达在多种工作模式下对攀枝花机场上空及周边大气风场与风切变进行了探测试验.在3月至5月大风季节期间,机组报告的风切变均成功被雷达探测.对一次典型个例进行分析,验证了所研制的三维激光测风雷达在地理气候复杂的高原机场风切变探测的有效性.

关键词：激光测风雷达低空风切变民航机场下滑道侧风迎头风

相干激光测风雷达高分辨距离门自适应技术研究

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红外与激光工程 2021年第12期50卷 252-259页

作者：徐冠宇尹微李策陈涌冯力天周鼎富西南技术物理研究所四川成都610041 通化师范学院物理学院吉林通化134002

脉冲相干激光测风雷达的信号处理通常采用固定长度距离门来划分时域信号,并对每个距离门做频谱计算得到风速度信息。固定距离门的时域信号划分存在中频信号的非整周期截断问题,导致频谱计算时出现频谱泄露而产生误差,使信噪比降低。文... 详细信息

脉冲相干激光测风雷达的信号处理通常采用固定长度距离门来划分时域信号,并对每个距离门做频谱计算得到风速度信息。固定距离门的时域信号划分存在中频信号的非整周期截断问题,导致频谱计算时出现频谱泄露而产生误差,使信噪比降低。文中提出一种基于整周期搜索的自适应距离门划分方法,距离门长度与中频信号频率自适应,可实现对信号的整周期分割,避免了频谱处理中的频谱泄漏问题,提高频率估计精度。采用加噪信号对两种处理方法进行仿真分析,结果表明:自适应距离门方法可实现距离门长度与中频信号的自适应,在信噪比小于1 dB时,该方法得到的中频估计误差是固定距离门方法的38%~62%。应用自适应距离门方法处理激光测风雷达系统获取的转盘和风场回波信号,与使用固定距离门方法的激光测风雷达测量结果进行对比。结果表明:自适应距离门划分方法对转盘速度测量的均方根误差为0.19 m/s,大气风速度测量的距离分辨率在7~11 m之间变化,均优于固定距离门方法,实现了激光测风雷达的距离分辨率和测量精度的提升。

关键词：激光测风雷达整周期搜索自适应距离门信号处理

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激光测风雷达分析典型高原机场风场特征

激光技术 2020年第5期44卷 525-531页

作者：范琪朱晓林周鼎富周杰罗雄陈春利童文皓杨泽后西南技术物理研究所成都610041 航天系统部装备部军事代表局北京100000

为了对激光测风雷达在民用机场的运行环境适应性及综合保障能力进行评估,采用国产自研激光测风雷达在典型高原机场为期3个月的风场联合监测试验数据,结合同址相关气象资料,分晴、多云、阴、雾及降水等不同气象条件,对激光测风雷达的风... 详细信息

为了对激光测风雷达在民用机场的运行环境适应性及综合保障能力进行评估,采用国产自研激光测风雷达在典型高原机场为期3个月的风场联合监测试验数据,结合同址相关气象资料,分晴、多云、阴、雾及降水等不同气象条件,对激光测风雷达的风场数据进行了分析,以揭示典型高原机场的风场特征,检验国产激光测风雷达的综合保障能力。结果表明,在不同天气类型下,激光雷达的测风性能存在明显的差异,其在晴、多云、阴天整体表现较优,水平最大探测距离最远可达6623m,垂直最高可达2895m;同时,激光测风雷达能精准捕捉到高原机场的风场在时间尺度和空间尺度上的典型变化特征。该研究为雷达在民航的应用提供了参考。

关键词：遥感激光测风雷达性能分析风场特征

激光测风雷达PPI扫描监测风切变的数值模拟

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气象科学 2023年第5期43卷 624-631页

作者：赵文凯赵世军单雨龙孙学金国防科技大学气象海洋学院长沙410003

低空风切变严重威胁飞机起降安全,而激光测风雷达在晴空风切变监测方面具有显著优势,但其监测性能受到风场特点和监测算法的影响。由于无法对局地空间风场进行时空同步精细化探测,且风场具有阵性,导致风切变监测会出现虚警率、漏报等现... 详细信息

低空风切变严重威胁飞机起降安全,而激光测风雷达在晴空风切变监测方面具有显著优势,但其监测性能受到风场特点和监测算法的影响。由于无法对局地空间风场进行时空同步精细化探测,且风场具有阵性,导致风切变监测会出现虚警率、漏报等现象,只能通过数值模拟仿真的方式,对不同风场的监测性能进行分析评估。本文首先仿真构建了四种具有代表性的风场类型,然后模拟激光测风雷达平面-位置显示(Plane Position Indication,PPI)扫描方式获取不同仿真风场下的径向风速数据,最后利用八邻域系统算法对径向风速数据进行风切变监测,验证不同类型风场下激光测风雷达PPI扫描方式监测风切变算法的有效性。结果表明,激光测风雷达PPI扫描结果能够真实地反映风场情况;八邻域系统算法能够有效识别风切变;在进行风切变检测时,应尽可能地考虑到多个方位上的切变值,避免漏报。

关键词：激光测风雷达低空风切变检测算法数值模拟