相干多普勒激光測風雷達系統(tǒng)研究及驗證

封治華,杜改麗

(1.中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047；2.河南醫(yī)學高等?？茖W校,河南 鄭州 451191)

·激光應用技術·

相干多普勒激光測風雷達系統(tǒng)研究及驗證

封治華1,杜改麗2

(1.中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047；2.河南醫(yī)學高等專科學校,河南 鄭州 451191)

介紹了相干多普勒激光測風雷達國內外現(xiàn)狀,闡述了其基本原理,給出了風速矢量反演計算過程,并對相干多普勒激光測風雷達系統(tǒng)方案進行了分析,利用標校塔以及超聲波測風儀等設備進行了風場測量驗證實驗,獲得了80～600 m處的風場信息,驗證了測風系統(tǒng)的設計指標。

多普勒；激光雷達；相干探測

1 引 言

大氣風場的精確測量對氣象系統(tǒng)動力學模型研究、機場風切變的探測、軍事環(huán)境的精確性預報等都有重大意義[1]。目前世界各國都在積極開展相干多普勒測風激光雷達的理論和實驗研究,美國國家航空航天局(NASA)、日本通信研究實驗室(CRL)、法國空間中心(CNRS)及德國宇航中心(DLR)等機構相繼成功研制了多臺高精度地基或機載相干測風激光雷達設備[2]。國內在這方面的研究起步較晚,目前主要有哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院安徽光學精密機械研究所及北京理工大學等單位進行了相關理論方面的探索。

按照探測方式,激光測風雷達分為相干和非相干兩種體制,這兩種體制各有優(yōu)缺點。相干激光雷達探測靈敏度接近于量子噪聲極限,具有較高的信噪比,較低的激光發(fā)射功率[3]。相干激光測風雷達通過測量大氣風場中運動氣溶膠的后向散射來反演大氣風場,可以獲得非常精確的風場數(shù)據(jù)。

2 工作原理及系統(tǒng)組成

2.1 相干測風激光雷達基本原理

激光雷達從機頭處發(fā)射激光脈沖時,發(fā)射光學系統(tǒng)將脈沖激光投射到大氣目標空間。由于大氣中存在氣溶膠粒子,大氣中的懸浮顆粒將會對激光束產生散射,由于懸浮顆粒的運動特性,散射光會疊加一個多普勒頻移,多普勒頻移的大小與懸浮顆粒的徑向運動速度有關[4]。激光雷達光學系統(tǒng)將目標散射回波信號進行收集,收集的回波信號與本振光在回波光電探測器光敏面發(fā)生混頻效應,輸出兩束光速度的差頻信號,送往信息處理單元,信息處理系統(tǒng)通過檢測該差頻信號,從而反算出目標的徑向運動速度；激光雷達通過檢測發(fā)射信號與回波信號的時間差,從而可以確定目標的距離。信息處理系統(tǒng)通過對不同距離上風速目標的測量,從而實現(xiàn)不同距離段上的徑向風速測量[5]。單方向徑向風速測量示意圖如圖1所示。

圖1 徑向風速測量示意圖

2.2 風速矢量反演計算

在掃描過程中,相鄰的四個掃描方向的風速值作為一個風場目標的四個矢量,進行該區(qū)域的風速矢量的求解。求解示意圖如圖2所示。

圖2 風速矢量解算示意圖

圖中,ABCD四點為相鄰四點方向,且ABCD四點組成為正方形形狀,因此,處于同一同心圓中,同時,激光雷達到ABCD四點的徑向矢量VA、VB、VC、VD處于同一圓錐的表面上。ABCD四點的球面部分的風場將由ABCD四條徑向風速矢量組合而成。ABCD區(qū)域的風場風速矢量的解算過程如下：

假設激光雷達處于自然坐標系下,ABCD面為其中的一個測量面,ABCD組成的圓錐角度為2α,俯仰角度為β,如圖3所示。在測量平面ABCD上建立如圖所示的XYZ坐標系,通過幾何知識與ABCD四點的徑向矢量VA、VB、VC、VD,可以得出：

圖3 風向坐標系解算示意圖

再根據(jù)空間幾何知識,利用xyz坐標系與x′y′z′坐標系的數(shù)學關系,可以推算出相對地物坐標系下的風速矢量：

Vx′=(VA-VB)sinαsinβ-(VA+VB+VC+VD)cosαcosβ

Vy′=(VC-VD)sinα

Vz′=(VA-VB)sinαcosβ-(VA+VB+VC+VD)cosαsinβ

通過將Vx′、Vy′、Vz′進行適量合成,最終得出相對地物坐標系下的風速矢量大小。地物坐標系下的風速矢量大小為:

地物坐標系下的風速方向為:

因此,通過測量ABCD四點的徑向風速值,配合掃描系統(tǒng)步距及安裝角度,即可計算出目標風速矢量。

2.3 系統(tǒng)組成

從系統(tǒng)構成上,激光測風雷達設備由激光發(fā)射系統(tǒng)、光學收發(fā)系統(tǒng)、信息處理及顯示系統(tǒng)以及掃描控制系統(tǒng)等組成。激光測風雷達的系統(tǒng)組成框圖如4所示。

圖4 天基大氣測量系統(tǒng)系統(tǒng)組成原理框

激光測風雷達系統(tǒng)發(fā)射單元激光發(fā)射機采用1.5μm光纖穩(wěn)頻激光器,經過調制放大后其發(fā)射的激光峰值大于60W,重頻達20kHz,脈寬200ns。1.5μm波段的穩(wěn)頻脈沖相干激光發(fā)射機采用MOPA的脈沖技術方案。傳統(tǒng)實驗室階段的MOPA式光纖激光器均采用透鏡耦合、端面泵浦的方式,系統(tǒng)結構復雜且不穩(wěn)定,可靠性較差[6],同時,采用內調制的脈沖激光發(fā)射機隔離度不高,很難完全滿足系統(tǒng)的技術要求。為實現(xiàn)光纖激光器的實用化、工程化,綜合考慮各種因素,采用了全光纖化的種子源主振蕩-放大結構的技術方案,從而實現(xiàn)了高穩(wěn)定性、高能量的脈沖激光輸出。

光學收發(fā)系統(tǒng)中光學天線主要包括光學鏡頭、光纖環(huán)形器等,其收發(fā)口徑≥Φ80 mm。光學天線將激光發(fā)射機發(fā)射出來的激光信號經擴束準直或聚焦后發(fā)射向目標空間,同時,接收從目標反射的光信號。掃描控制系統(tǒng)控制掃描裝置采用雙振鏡的方式實現(xiàn)二維風場探測,實現(xiàn)待測區(qū)域的風場掃描并獲取風場的相對位置信息。激光外差接收單元探測目標反射的激光信號,通過光束混頻效應,將光信號轉換成電信號,再通過電信號放大、濾波后送往信息處理終端[7]。接收單元主要由探測器、濾波器、低噪聲放大電路及視頻放大電路等組成。

信息采集及顯控系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部件,信息處理單元將外差接收的模擬信號轉換成高精度數(shù)字信號,并通過測量發(fā)射激光和回波信號之間的時間差,計算出目標距離,通過將各時間段內采集風場數(shù)據(jù)進行FFT變換和有效風速多普勒頻率提取,反算出目標運動的徑向風速值,并通過接口電路將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給操控顯示單元顯示,從而完成風場的測量及顯示。

3 系統(tǒng)實驗

3.1 實驗器材及實驗方法

本實驗的目的是檢測激光雷達設備風速測量精度指標,查看設備的測量結果與標定設備測量結果的異同,同時查看設備的可探測風場距離。實驗中使用的精度標定儀器主要有超聲風速儀和風杯風速計,考慮到環(huán)境影響因素,以超聲風速儀測量數(shù)據(jù)為比較對象。超聲風速儀的結構如圖5所示。

超聲風速儀的主要參數(shù)如表1所示。

圖5 超聲風速儀外形圖

技術參數(shù)參量備注風速范圍0～65m/s風速分辨率0.01m/s風速精度1.5%RMS12m/s速度時風向范圍0～359.9°風向分辨率0.1°風向精度0.5°特殊要求數(shù)據(jù)刷新率1/2/4/8Hz

激光雷達風速標定實驗中激光測風雷達處于地面上,測量方向垂直于地面朝向天頂角,即測量以豎直方向為中心的一定區(qū)域的風場情況。風速風杯計在高塔上,高塔總高度110 m,風杯計1高度為60 m,風杯計2高度為80 m,超聲風速儀放置于高塔最上層,高度為105 m。雷達位置放置點與高塔的水平距離為55 m。測量時的測試放置位置如圖6所示。激光雷達測量方式采用打點掃描的方式,在掃描范圍內將待測空域分解成9塊風向目標,以靠近高塔區(qū)域的目標塊為比較對象。將激光雷達測量的同一高度層上的數(shù)據(jù)與超聲風速儀的測量結果進行比較,且以超聲風速儀標定設備為參考標準,查看激光雷達設備的精度。

圖6 風速標定方式圖

3.2 試驗測量數(shù)據(jù)

激光雷達設備測量的結果如圖7所示。

圖7 激光雷達設備測量的風廓線圖

風速風杯計的測量結果以及超聲風速儀的風速測量結果如圖8、圖9所示。

圖8 風速風杯計測量結果

圖9 超聲風速儀風速測量結果

從激光雷達設備風廓線雷達的測量結果中可以看出,在80～110 m距離短內,風速的測量結果在0.5～3.1 m/s范圍,風杯計的測量結果在1.1～4.2 m/s范圍,2 min的時間平均的風速為1.8 m/s,超聲風速儀的測量范圍為1.56～4.82 m/s。因此,系統(tǒng)最大合成誤差1.7 m/s,滿足預先設計的2 m/s的指標要求。同時,從激光雷達風廓線圖中可以看出,設備的最遠測量距離已超過400 m,達到了600 m左右,滿足技術指標要求。

由于風向精度指標是系統(tǒng)的重要指標,因此,對風向精度的標定采取了多時間段,多種天氣氣象條件下測量,并與超聲風速儀測量結果相比較。風向測量情況與超聲風速儀風向測量結果比較如圖10所示。

圖10 雷達風向測量與超聲風速儀風向測量結果比較

激光測風雷達與超聲波風速儀在進行測量之前進行了坐標系的統(tǒng)一。坐標系建立時均以北為坐標起點,按北西南東的方向進行。風向的角度范圍定義為-180°～180°。從圖10可以看出,在測量的實驗數(shù)據(jù)中激光測風雷達的風向精度最差在4.48°,滿足優(yōu)于5°的技術指標。

為了表征雷達設備測量風向與超聲風速儀測量風向之間數(shù)據(jù)的一致性,定義Q一致性因子：

Q=￠ld╱￠ul

其中,￠ld表示雷達設備測量的風向值;￠ul表示超聲風速儀測量的風向角度值;Q因子的變化關系情況如圖11所示。

圖11 Q一致性因子的變化關系

圖11中,從Q一致性的擬合趨勢可以看出,雷達設備與超聲風速儀的風向測量結果之間的數(shù)據(jù)一致性為0.988,說明兩組數(shù)據(jù)之間的一致性吻合的非常好。

3.3 實驗結論

從實驗結果中可以看出,激光雷達的探測距離已超過400 m,達到600 m以上,滿足技術指標要求,激光雷達合成風速測量精度為1.7 m/s,滿足風速精度優(yōu)于2 m/s技術指標要求,風向最大誤差4.48°,滿足風向精度優(yōu)于5°的技術指標。說明該系統(tǒng)設計達到了預期效果,具備了測試條件,可以應用于實際測量。

4 結 論

通過對相干激光測風雷達原理和系統(tǒng)方案的的研究,研制了一套1.5 μm波段的MOPA的穩(wěn)頻脈沖相干測風實驗裝置,并進行了風場合成風速風向標定驗證。實驗結果表明速度測量誤差的方差為0.23 m/s,表明該系統(tǒng)具有較好的測量精度,還進行了大氣視向風速的測量實驗,選擇對500 m處的風場進行測量,獲得了30～400 m的視向風速分布曲線,在后續(xù)工作中,還將對數(shù)據(jù)進行進一步分析,提高系統(tǒng)相干效率和風速反演精度,并結合全光纖相干多普勒激光測風雷達系統(tǒng)的研制,提高系統(tǒng)的集成度、小型化設計以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。證明整個激光雷達系統(tǒng)設計思想的科學性和合理性,設備指標達到了設計的需求。

[1] Jinxue Wang，Michael T Dehring，F(xiàn)loyd E Hovis，et al.Doppler wind lidar technology development and demonst ration[J].Proceedings of the AIAA,2005:6772.

[2] XIONG Xinglong,YAN Pu,JIANG Lihui,et al.Application of wind lidar in detection of the airport’s visibility and cloud base height[J].Laser & Infrared,2010,40(8):817-820.(in Chinese) 熊興隆,閆樸,蔣立輝,等.測風激光雷達應用于機場能見度及云底高探測[J].激光與紅外,2010,40(8):817-820.

[3] WANG Qingmei,GUO Lile.Development of lidar in detection of low altitude wind shear[J].Laser & Infrared,2012,42(12):1324-1328.(in Chinese)王青梅,郭利樂.激光雷達在機場低空風切變探測中的應用[J].激光與紅外,2012,42(12):1324-1328.

[4] Henderson SW,Hannon SM.A dvanced coherent lidar system for wind measurements [J].SPIE,2005,5887:1082117.

[5] HU Qi,LI Yuanxiang,SONG Jinze,et al.Application of Doppler LIDAR data in wind forecasting[J].Laser & Infrared,2012,42(3):268-273.(in Chinese) 胡琦,李元祥,宋金澤,等.基于多普勒激光雷達的風場預測[J].激光與紅外,2012,42(3):268-273.

[6] Jeffrey Y beyon，Grady J Koch.Resolution study of wind parameter estimates by a coherent Doppler lidar system[J].Proceedings of SPIE，2006，6214：621403.

[7] Canadillas B.Testing the performance of a ground-based wind lidar system[J].DEWI Magazin,2011：38.

Research and verification of coherent Doppler wind lidar

FENG Zhi-hua1,DU Gai-li2

(1.The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Zhengzhou 450047，China；2.Henan Medical College,Zhengzhou 451191，China)

The domestic and foreign status of coherent Doppler wind lidar is introduced; the basic principles are explained; the velocity vector inversion process is given,and the solutions of coherent Doppler wind lidar system are analyzed. Wind field measurements were verified by using standard teaching towers and ultrasonic anemometer,and wind field information was obtained at 80～600 m,design specifications of the wind system were verified.

Doppler；laser radar;coherent detection

1001-5078(2015)02-0128-05

封治華(1981-)，男，碩士，工程師，主要從事光電探測與激光雷達方面的研究。E-mail： feng_zhihua@163.com

2014-06-12;

2014-07-15

TN958.98

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.003