相干多普勒激光测风雷达系统研究及验证

封治华,杜改丽

(1.中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南 郑州 450047；2.河南医学高等专科学校,河南 郑州 451191)

·激光应用技术·

相干多普勒激光测风雷达系统研究及验证

封治华1,杜改丽2

(1.中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南 郑州 450047；2.河南医学高等专科学校,河南 郑州 451191)

介绍了相干多普勒激光测风雷达国内外现状,阐述了其基本原理,给出了风速矢量反演计算过程,并对相干多普勒激光测风雷达系统方案进行了分析,利用标校塔以及超声波测风仪等设备进行了风场测量验证实验,获得了80～600 m处的风场信息,验证了测风系统的设计指标。

多普勒；激光雷达；相干探测

1 引 言

大气风场的精确测量对气象系统动力学模型研究、机场风切变的探测、军事环境的精确性预报等都有重大意义[1]。目前世界各国都在积极开展相干多普勒测风激光雷达的理论和实验研究,美国国家航空航天局(NASA)、日本通信研究实验室(CRL)、法国空间中心(CNRS)及德国宇航中心(DLR)等机构相继成功研制了多台高精度地基或机载相干测风激光雷达设备[2]。国内在这方面的研究起步较晚,目前主要有哈尔滨工业大学、中国科学院安徽光学精密机械研究所及北京理工大学等单位进行了相关理论方面的探索。

按照探测方式,激光测风雷达分为相干和非相干两种体制,这两种体制各有优缺点。相干激光雷达探测灵敏度接近于量子噪声极限,具有较高的信噪比,较低的激光发射功率[3]。相干激光测风雷达通过测量大气风场中运动气溶胶的后向散射来反演大气风场,可以获得非常精确的风场数据。

2 工作原理及系统组成

2.1 相干测风激光雷达基本原理

激光雷达从机头处发射激光脉冲时,发射光学系统将脉冲激光投射到大气目标空间。由于大气中存在气溶胶粒子,大气中的悬浮颗粒将会对激光束产生散射,由于悬浮颗粒的运动特性,散射光会叠加一个多普勒频移,多普勒频移的大小与悬浮颗粒的径向运动速度有关[4]。激光雷达光学系统将目标散射回波信号进行收集,收集的回波信号与本振光在回波光电探测器光敏面发生混频效应,输出两束光速度的差频信号,送往信息处理单元,信息处理系统通过检测该差频信号,从而反算出目标的径向运动速度；激光雷达通过检测发射信号与回波信号的时间差,从而可以确定目标的距离。信息处理系统通过对不同距离上风速目标的测量,从而实现不同距离段上的径向风速测量[5]。单方向径向风速测量示意图如图1所示。

图1 径向风速测量示意图

2.2 风速矢量反演计算

在扫描过程中,相邻的四个扫描方向的风速值作为一个风场目标的四个矢量,进行该区域的风速矢量的求解。求解示意图如图2所示。

图2 风速矢量解算示意图

图中,ABCD四点为相邻四点方向,且ABCD四点组成为正方形形状,因此,处于同一同心圆中,同时,激光雷达到ABCD四点的径向矢量VA、VB、VC、VD处于同一圆锥的表面上。ABCD四点的球面部分的风场将由ABCD四条径向风速矢量组合而成。ABCD区域的风场风速矢量的解算过程如下：

假设激光雷达处于自然坐标系下,ABCD面为其中的一个测量面,ABCD组成的圆锥角度为2α,俯仰角度为β,如图3所示。在测量平面ABCD上建立如图所示的XYZ坐标系,通过几何知识与ABCD四点的径向矢量VA、VB、VC、VD,可以得出：

图3 风向坐标系解算示意图

再根据空间几何知识,利用xyz坐标系与x′y′z′坐标系的数学关系,可以推算出相对地物坐标系下的风速矢量：

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

Vy′=(VC-VD)sinα

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

通过将Vx′、Vy′、Vz′进行适量合成,最终得出相对地物坐标系下的风速矢量大小。地物坐标系下的风速矢量大小为:

地物坐标系下的风速方向为:

因此,通过测量ABCD四点的径向风速值,配合扫描系统步距及安装角度,即可计算出目标风速矢量。

2.3 系统组成

从系统构成上,激光测风雷达设备由激光发射系统、光学收发系统、信息处理及显示系统以及扫描控制系统等组成。激光测风雷达的系统组成框图如4所示。

图4 天基大气测量系统系统组成原理框

激光测风雷达系统发射单元激光发射机采用1.5μm光纤稳频激光器,经过调制放大后其发射的激光峰值大于60W,重频达20kHz,脉宽200ns。1.5μm波段的稳频脉冲相干激光发射机采用MOPA的脉冲技术方案。传统实验室阶段的MOPA式光纤激光器均采用透镜耦合、端面泵浦的方式,系统结构复杂且不稳定,可靠性较差[6],同时,采用内调制的脉冲激光发射机隔离度不高,很难完全满足系统的技术要求。为实现光纤激光器的实用化、工程化,综合考虑各种因素,采用了全光纤化的种子源主振荡-放大结构的技术方案,从而实现了高稳定性、高能量的脉冲激光输出。

光学收发系统中光学天线主要包括光学镜头、光纤环形器等,其收发口径≥Φ80 mm。光学天线将激光发射机发射出来的激光信号经扩束准直或聚焦后发射向目标空间,同时,接收从目标反射的光信号。扫描控制系统控制扫描装置采用双振镜的方式实现二维风场探测,实现待测区域的风场扫描并获取风场的相对位置信息。激光外差接收单元探测目标反射的激光信号,通过光束混频效应,将光信号转换成电信号,再通过电信号放大、滤波后送往信息处理终端[7]。接收单元主要由探测器、滤波器、低噪声放大电路及视频放大电路等组成。

信息采集及显控系统是系统的核心部件,信息处理单元将外差接收的模拟信号转换成高精度数字信号,并通过测量发射激光和回波信号之间的时间差,计算出目标距离,通过将各时间段内采集风场数据进行FFT变换和有效风速多普勒频率提取,反算出目标运动的径向风速值,并通过接口电路将处理后的数据发送给操控显示单元显示,从而完成风场的测量及显示。

3 系统实验

3.1 实验器材及实验方法

本实验的目的是检测激光雷达设备风速测量精度指标,查看设备的测量结果与标定设备测量结果的异同,同时查看设备的可探测风场距离。实验中使用的精度标定仪器主要有超声风速仪和风杯风速计,考虑到环境影响因素,以超声风速仪测量数据为比较对象。超声风速仪的结构如图5所示。

超声风速仪的主要参数如表1所示。

图5 超声风速仪外形图

技术参数参量备注风速范围0～65m/s风速分辨率0.01m/s风速精度1.5%RMS12m/s速度时风向范围0～359.9°风向分辨率0.1°风向精度0.5°特殊要求数据刷新率1/2/4/8Hz

激光雷达风速标定实验中激光测风雷达处于地面上,测量方向垂直于地面朝向天顶角,即测量以竖直方向为中心的一定区域的风场情况。风速风杯计在高塔上,高塔总高度110 m,风杯计1高度为60 m,风杯计2高度为80 m,超声风速仪放置于高塔最上层,高度为105 m。雷达位置放置点与高塔的水平距离为55 m。测量时的测试放置位置如图6所示。激光雷达测量方式采用打点扫描的方式,在扫描范围内将待测空域分解成9块风向目标,以靠近高塔区域的目标块为比较对象。将激光雷达测量的同一高度层上的数据与超声风速仪的测量结果进行比较,且以超声风速仪标定设备为参考标准,查看激光雷达设备的精度。

图6 风速标定方式图

3.2 试验测量数据

激光雷达设备测量的结果如图7所示。

图7 激光雷达设备测量的风廓线图

风速风杯计的测量结果以及超声风速仪的风速测量结果如图8、图9所示。

图8 风速风杯计测量结果

图9 超声风速仪风速测量结果

从激光雷达设备风廓线雷达的测量结果中可以看出,在80～110 m距离短内,风速的测量结果在0.5～3.1 m/s范围,风杯计的测量结果在1.1～4.2 m/s范围,2 min的时间平均的风速为1.8 m/s,超声风速仪的测量范围为1.56～4.82 m/s。因此,系统最大合成误差1.7 m/s,满足预先设计的2 m/s的指标要求。同时,从激光雷达风廓线图中可以看出,设备的最远测量距离已超过400 m,达到了600 m左右,满足技术指标要求。

由于风向精度指标是系统的重要指标,因此,对风向精度的标定采取了多时间段,多种天气气象条件下测量,并与超声风速仪测量结果相比较。风向测量情况与超声风速仪风向测量结果比较如图10所示。

图10 雷达风向测量与超声风速仪风向测量结果比较

激光测风雷达与超声波风速仪在进行测量之前进行了坐标系的统一。坐标系建立时均以北为坐标起点,按北西南东的方向进行。风向的角度范围定义为-180°～180°。从图10可以看出,在测量的实验数据中激光测风雷达的风向精度最差在4.48°,满足优于5°的技术指标。

为了表征雷达设备测量风向与超声风速仪测量风向之间数据的一致性,定义Q一致性因子：

Q=￠ld╱￠ul

其中,￠ld表示雷达设备测量的风向值;￠ul表示超声风速仪测量的风向角度值;Q因子的变化关系情况如图11所示。

图11 Q一致性因子的变化关系

图11中,从Q一致性的拟合趋势可以看出,雷达设备与超声风速仪的风向测量结果之间的数据一致性为0.988,说明两组数据之间的一致性吻合的非常好。

3.3 实验结论

从实验结果中可以看出,激光雷达的探测距离已超过400 m,达到600 m以上,满足技术指标要求,激光雷达合成风速测量精度为1.7 m/s,满足风速精度优于2 m/s技术指标要求,风向最大误差4.48°,满足风向精度优于5°的技术指标。说明该系统设计达到了预期效果,具备了测试条件,可以应用于实际测量。

4 结 论

通过对相干激光测风雷达原理和系统方案的的研究,研制了一套1.5 μm波段的MOPA的稳频脉冲相干测风实验装置,并进行了风场合成风速风向标定验证。实验结果表明速度测量误差的方差为0.23 m/s,表明该系统具有较好的测量精度,还进行了大气视向风速的测量实验,选择对500 m处的风场进行测量,获得了30～400 m的视向风速分布曲线,在后续工作中,还将对数据进行进一步分析,提高系统相干效率和风速反演精度,并结合全光纤相干多普勒激光测风雷达系统的研制,提高系统的集成度、小型化设计以及系统的稳定性。证明整个激光雷达系统设计思想的科学性和合理性,设备指标达到了设计的需求。

[1] Jinxue Wang，Michael T Dehring，Floyd 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) 熊兴隆,闫朴,蒋立辉,等.测风激光雷达应用于机场能见度及云底高探测[J].激光与红外,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,郭利乐.激光雷达在机场低空风切变探测中的应用[J].激光与红外,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,宋金泽,等.基于多普勒激光雷达的风场预测[J].激光与红外,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

封治华(1981-)，男，硕士，工程师，主要从事光电探测与激光雷达方面的研究。E-mail： feng_zhihua@163.com

2014-06-12;

2014-07-15

TN958.98

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.003