基于CCD侧向散射激光雷达的测风实验研究
发布时间：2021-11-13 23:27
在气象观测中,地面风速和风向一直都是最基本的观测要素。针对目前传统的测风设备部件极易损坏、多普勒测风雷达造价过高难以推广的问题,本篇文章提出了一种基于CCD的侧向散射激光雷达用于风速测量研究,建立了径向风速与大气气溶胶浓度的关系模型,并对其进行验证及影响因素分析。具体研究如下:（1）针对研究课题对选题背景进行了简述,介绍了风速测量的几种方法及其工作原理,随后阐述了激光雷达及其在大气探测领域的应用和大气气溶胶浓度与风速关系的研究等方面在国内外的研究进展。（2）介绍了基于CCD侧向散射激光雷达进行风况研究的相关理论基础,阐述了大气气溶胶对激光的散射特性。针对文本研究内容,介绍了Mie散射理论及激光雷达方程,结合风速对大气颗粒物浓度的影响,说明了CCD侧向散射激光雷达进行测风实验的原理。（3）提出了一种基于CCD侧向散射激光雷达系统进行测风实验研究,首先根据Mie散射理论以及侧向散射激光雷达方程验证近地面气溶胶浓度与侧向散射光强分布总值存在线性关系的结论,随后利用探测装置采集回波信号图并提取出光强信息,通过与监测地点的实时风速值进行对比,建立起光强分布总值与风速值的关系模型,继而得到风速与大...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：51 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机械式测风设备装置图
杭州电子科技大学硕士学位论文2常因缺少替换设备导致对风力资源的利用率降低。超声波测风仪依靠超声波传感器对风速进行监测，因此超声波测风仪的使用寿命及其测量精度主要取决于传感器设备。由于无需旋转部件，超声波测风仪很好的克服了传统机械式测风仪普遍存在的机械部件磨损的现象。并且超声波风速仪利用传感器采集的信号经过信号处理后，能够反映出比机械式测风设备更为准确可靠的风速信息。但超声波测风仪并不是完美无缺的，其整体结构复杂，重量大，价格昂贵[7]，并且会因恶劣天气导致测量误差变大，因此一直未能被广泛应用于气象领域。目前采用超声波测风仪对风速进行测量主要基于的原理是时差法[8-9]，其工作原理如图1.2所示。超声波测风仪所采用的时差法是通过其传感器的正、逆电压效应实现高频声能和电能之间的相互转换，通过检测信号之间的时间差来测量风速。图1.2超声波测风仪的工作原理多普勒测风雷达的核心思想在于频率估计技术，通过提取出激光散射回波信号来对风速进行测量。在测风雷达中使用的多普勒效应原理如图1.3所示[10]，当激光测风雷达对风场进行风力监测时，装置首先会向大气中发射脉冲激光信号，大气中的颗粒物[11]（包括气溶胶以及大气分子等）与激光雷达的信号源产生了一个相对位移，从而导致了出射激光与雷达接收到的回波信号之间产生一个频率差，这个频率差可以直接反映出二者之间运动速度的关系。图1.3激光测风雷达中的多普勒效应示意图此处提到的风速测量指的是风场相对于测风雷达的径向风速。获取三维风场信息，还需要在获取多个相邻方向的径向风速信息后，采用VAP(VelocityAzimuthProcessing)，VAD，涡度-散度算法等对风场信息进行反演[12]。多普勒激光测风雷达不仅完美的克服了传统机械式测
杭州电子科技大学硕士学位论文2常因缺少替换设备导致对风力资源的利用率降低。超声波测风仪依靠超声波传感器对风速进行监测，因此超声波测风仪的使用寿命及其测量精度主要取决于传感器设备。由于无需旋转部件，超声波测风仪很好的克服了传统机械式测风仪普遍存在的机械部件磨损的现象。并且超声波风速仪利用传感器采集的信号经过信号处理后，能够反映出比机械式测风设备更为准确可靠的风速信息。但超声波测风仪并不是完美无缺的，其整体结构复杂，重量大，价格昂贵[7]，并且会因恶劣天气导致测量误差变大，因此一直未能被广泛应用于气象领域。目前采用超声波测风仪对风速进行测量主要基于的原理是时差法[8-9]，其工作原理如图1.2所示。超声波测风仪所采用的时差法是通过其传感器的正、逆电压效应实现高频声能和电能之间的相互转换，通过检测信号之间的时间差来测量风速。图1.2超声波测风仪的工作原理多普勒测风雷达的核心思想在于频率估计技术，通过提取出激光散射回波信号来对风速进行测量。在测风雷达中使用的多普勒效应原理如图1.3所示[10]，当激光测风雷达对风场进行风力监测时，装置首先会向大气中发射脉冲激光信号，大气中的颗粒物[11]（包括气溶胶以及大气分子等）与激光雷达的信号源产生了一个相对位移，从而导致了出射激光与雷达接收到的回波信号之间产生一个频率差，这个频率差可以直接反映出二者之间运动速度的关系。图1.3激光测风雷达中的多普勒效应示意图此处提到的风速测量指的是风场相对于测风雷达的径向风速。获取三维风场信息，还需要在获取多个相邻方向的径向风速信息后，采用VAP(VelocityAzimuthProcessing)，VAD，涡度-散度算法等对风场信息进行反演[12]。多普勒激光测风雷达不仅完美的克服了传统机械式测
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于信噪比分析的被动氢钟输入功率研究[J]. 章旭晖,沈雷,帅涛. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2019(03)
[2]大气颗粒物来源及特征研究[J]. 尼玛楚多. 农村经济与科技. 2019(08)
[3]风向等因素对风速计计量检测的影响[J]. 张国城,潘一廷,邢奇凤. 计量技术. 2018(11)
[4]空间非均匀环境中的反应扩散移流模型[J]. 李冬梅,王阳. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[5]基于侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量误差[J]. 陈松,胡淼,曾然,李齐良,周雪芳,蔡美伶,聂佳林,汪延安. 光学学报. 2017(12)
[6]复杂地形下激光雷达测风误差的修正[J]. 李军,胡非. 可再生能源. 2017(05)
[7]基于CCD近地面大气侧向散射系数廓线探测[J]. 吴端法,胡淼,陈松,李齐良,周雪芳,魏一振,宋旸. 光散射学报. 2017(01)
[8]基于CCD侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量研究[J]. 胡淼,吴端法,李齐良,周雪芳,魏一振,毕美华,杨国伟,宋旸,李鹏. 光学学报. 2016(11)
[9]基于CCD后向散射激光信号的PM2.5测量研究[J]. 胡淼,谢家亮,吴端法,曾嵘,李齐良,周雪芳,钱正丰,魏一振,项震,蔡炬. 光学学报. 2015(02)
[10]基于激光雷达探测的气溶胶分类方法研究[J]. 曹念文,颜鹏. 光学学报. 2014(11)
博士论文
[1]星载激光雷达辐射传输蒙特卡罗模拟[D]. 程晨.中国科学技术大学 2018
硕士论文
[1]基于ARM的超声波测风系统研究与设计[D]. 郭银.南京信息工程大学 2017
[2]基于Android平台的烟尘浓度测量系统设计[D]. 肖新.合肥工业大学 2012
[3]基于瑞利散射的准分布光纤温度报警系统研究[D]. 魏康林.重庆大学 2002
本文编号：3493920
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：51 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
机械式测风设备装置图
杭州电子科技大学硕士学位论文2常因缺少替换设备导致对风力资源的利用率降低。超声波测风仪依靠超声波传感器对风速进行监测，因此超声波测风仪的使用寿命及其测量精度主要取决于传感器设备。由于无需旋转部件，超声波测风仪很好的克服了传统机械式测风仪普遍存在的机械部件磨损的现象。并且超声波风速仪利用传感器采集的信号经过信号处理后，能够反映出比机械式测风设备更为准确可靠的风速信息。但超声波测风仪并不是完美无缺的，其整体结构复杂，重量大，价格昂贵[7]，并且会因恶劣天气导致测量误差变大，因此一直未能被广泛应用于气象领域。目前采用超声波测风仪对风速进行测量主要基于的原理是时差法[8-9]，其工作原理如图1.2所示。超声波测风仪所采用的时差法是通过其传感器的正、逆电压效应实现高频声能和电能之间的相互转换，通过检测信号之间的时间差来测量风速。图1.2超声波测风仪的工作原理多普勒测风雷达的核心思想在于频率估计技术，通过提取出激光散射回波信号来对风速进行测量。在测风雷达中使用的多普勒效应原理如图1.3所示[10]，当激光测风雷达对风场进行风力监测时，装置首先会向大气中发射脉冲激光信号，大气中的颗粒物[11]（包括气溶胶以及大气分子等）与激光雷达的信号源产生了一个相对位移，从而导致了出射激光与雷达接收到的回波信号之间产生一个频率差，这个频率差可以直接反映出二者之间运动速度的关系。图1.3激光测风雷达中的多普勒效应示意图此处提到的风速测量指的是风场相对于测风雷达的径向风速。获取三维风场信息，还需要在获取多个相邻方向的径向风速信息后，采用VAP(VelocityAzimuthProcessing)，VAD，涡度-散度算法等对风场信息进行反演[12]。多普勒激光测风雷达不仅完美的克服了传统机械式测
杭州电子科技大学硕士学位论文2常因缺少替换设备导致对风力资源的利用率降低。超声波测风仪依靠超声波传感器对风速进行监测，因此超声波测风仪的使用寿命及其测量精度主要取决于传感器设备。由于无需旋转部件，超声波测风仪很好的克服了传统机械式测风仪普遍存在的机械部件磨损的现象。并且超声波风速仪利用传感器采集的信号经过信号处理后，能够反映出比机械式测风设备更为准确可靠的风速信息。但超声波测风仪并不是完美无缺的，其整体结构复杂，重量大，价格昂贵[7]，并且会因恶劣天气导致测量误差变大，因此一直未能被广泛应用于气象领域。目前采用超声波测风仪对风速进行测量主要基于的原理是时差法[8-9]，其工作原理如图1.2所示。超声波测风仪所采用的时差法是通过其传感器的正、逆电压效应实现高频声能和电能之间的相互转换，通过检测信号之间的时间差来测量风速。图1.2超声波测风仪的工作原理多普勒测风雷达的核心思想在于频率估计技术，通过提取出激光散射回波信号来对风速进行测量。在测风雷达中使用的多普勒效应原理如图1.3所示[10]，当激光测风雷达对风场进行风力监测时，装置首先会向大气中发射脉冲激光信号，大气中的颗粒物[11]（包括气溶胶以及大气分子等）与激光雷达的信号源产生了一个相对位移，从而导致了出射激光与雷达接收到的回波信号之间产生一个频率差，这个频率差可以直接反映出二者之间运动速度的关系。图1.3激光测风雷达中的多普勒效应示意图此处提到的风速测量指的是风场相对于测风雷达的径向风速。获取三维风场信息，还需要在获取多个相邻方向的径向风速信息后，采用VAP(VelocityAzimuthProcessing)，VAD，涡度-散度算法等对风场信息进行反演[12]。多普勒激光测风雷达不仅完美的克服了传统机械式测
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于信噪比分析的被动氢钟输入功率研究[J]. 章旭晖,沈雷,帅涛. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2019(03)
[2]大气颗粒物来源及特征研究[J]. 尼玛楚多. 农村经济与科技. 2019(08)
[3]风向等因素对风速计计量检测的影响[J]. 张国城,潘一廷,邢奇凤. 计量技术. 2018(11)
[4]空间非均匀环境中的反应扩散移流模型[J]. 李冬梅,王阳. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[5]基于侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量误差[J]. 陈松,胡淼,曾然,李齐良,周雪芳,蔡美伶,聂佳林,汪延安. 光学学报. 2017(12)
[6]复杂地形下激光雷达测风误差的修正[J]. 李军,胡非. 可再生能源. 2017(05)
[7]基于CCD近地面大气侧向散射系数廓线探测[J]. 吴端法,胡淼,陈松,李齐良,周雪芳,魏一振,宋旸. 光散射学报. 2017(01)
[8]基于CCD侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量研究[J]. 胡淼,吴端法,李齐良,周雪芳,魏一振,毕美华,杨国伟,宋旸,李鹏. 光学学报. 2016(11)
[9]基于CCD后向散射激光信号的PM2.5测量研究[J]. 胡淼,谢家亮,吴端法,曾嵘,李齐良,周雪芳,钱正丰,魏一振,项震,蔡炬. 光学学报. 2015(02)
[10]基于激光雷达探测的气溶胶分类方法研究[J]. 曹念文,颜鹏. 光学学报. 2014(11)
博士论文
[1]星载激光雷达辐射传输蒙特卡罗模拟[D]. 程晨.中国科学技术大学 2018
硕士论文
[1]基于ARM的超声波测风系统研究与设计[D]. 郭银.南京信息工程大学 2017
[2]基于Android平台的烟尘浓度测量系统设计[D]. 肖新.合肥工业大学 2012
[3]基于瑞利散射的准分布光纤温度报警系统研究[D]. 魏康林.重庆大学 2002
本文编号：3493920
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