测风激光雷达控制系统的研制与风场观测
发布时间：2021-10-16 23:31
精准的大气风场信息,已经成为大气科学的理论研究、风电场性能评估、航空气象安全、天气预警预报、环境监测等方面的重要参量。测风激光雷达主要包括非相干探测和相干探测两种方式,在测量范围与精度上有着其它风场探测手段不可取代的优势。随着激光雷达技术的发展以及不同领域应用的不断发掘,对测风激光雷达控制系统中各种功能运行的自动化、不同组成设备的集成化、故障检测与判断的智能化、测量数据结果的处理与显示等也面临着更高的要求。因此对测风激光雷达控制系统的研究与开发有着重要的现实意义。为了对测风激光雷达系统中各部分硬件进行统一调度、控制、管理,需要各部分硬件与一台工业控制机相连,然后在这台工业控制机上安装编写好的系统控制程序,对不同设备进行发送指令、接收数据等。控制程序选用计算机高级语言C++编写,这是由于该语言具有编写的程序质量高、可移植性好及利于代码维护等优点。程序开发在Visual Studio 2013平台下并通过引入微软基础类库（MFC）实现了程序的界面窗口。系统使用者可以通过窗口上提供的功能按钮与选项实现系统的运行与参数设置。此外程序对采集数据的实时处理与显示也方便了系统使用者观测测量结果与调试...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１微下冲气流风切变对飞机航道的影响??
?第１章绪论???的湍流，将会降低接触到的后方风轮的发电效率和使用寿命［２５－２６］。由于风轮尾流??和当地的地形起伏、风场及风轮大小都有关系，为了每个精确的测定风轮尾流的??长度和扩散范围，同样需要能精确的测量大片实时风常目前激光测风雷达也在??风机部署间隔的优化这方面取得了应用［２７］。??幽■?＊??图１．２典型的风力发电厂??大气风场的探测还有利于提高天气预报的准确度。准确的天气预报以及对台??风等灾害天气的预警有助于人们合理安排生产生活以及避免生命财产损失。而造??成天气变化或是气象改变的原因很大一部分是大气的运动，比如气旋、锋面过境、??信风带异变等。因此无论是边界层内高精度大范围的风场测量还是对高至平流层??的长期长期风场探测，都可以对气象预报或气候预测提供参数［２ＷＧ］。??１．２风场探测的主要方法??目前，风场探测的常用方法包括超声波风速仪、多普勒雷达，无线电探空仪??和测风激光雷达。??典型的超声波风速仪一般有着三个等间距得超声波收发探头。在设备运转时，??每个探头向另外两个探头发出超声波脉冲并接收两个探头发来的脉冲。由于声波??在顺着风速传播时，传播速度加快；而在逆风传播时传播速度减慢。在三个探头??完成共６条超声波脉冲的收发后，可以根据同一条路径上接收和发送的时间间??隔，计算风速在这个方向的风量。最后通过在三个方向上的风速分量合成得到风??速和风向。超声波风速仪测量结果精度高，时间分辨率也高且运行稳定可以在无??人值守的环境下长期测量并输出数据。广泛应用与气象局测风塔、机场以及风电??等领域。但超声波风速仪在空间上只能测量一点的风场，无法掌握整个风场动态。??多普勒雷达同样可
?第１章绪论???进行整理分析。??在１９６３年，Ｂｉｅｍｓｏｎ等人就己经探讨了适用于激光雷达外差探测的激光信??号及雷达结构［３２］，并在后续的实验中用外差接收机测到了?ｌｋｍ范围的大气回波??信号Ｐ扎在６０年代末，随着Ｃ０２激光器的发明与成熟，其凭借能量转化效率高、??输出功率高、能量稳定、１０．６?波长位于大气透过率窗口等特点取代了红宝石??激光器成为了当时绝大多数激光雷达研宄者的选择。１９６８年，Ｈｕｆｆａｋｅｒ等人在美??国航天局的支持下研制成功了世界上第一台相千测风激光雷达系统［３４］，该系统采??用Ｃ〇２激光器发射连续激光做为光源通过改变光学发射系统的焦距得到不同距??离为中心的回波信号，最远能测量数百米的大气风速。在１９７０年，这套系统在??测量不同高度的风速廓线以及测量机场跑道区域大气湍流方面取得了实验成果??［￥３６１。这套系统在机场的测量现场图见图１．３。??■?１１?■??Ｋｆｅ?Ｈ?■??图１．３连续波Ｃ０２测风激光雷达的机场测量现场图??随着脉冲Ｃ〇２激光器技术的成熟，发射的单脉冲激光能量能达到１０?ｍＪ以??上意味着可以获得更远距离的测量信号。不同距离上的气溶胶米散射回波信号可??以通过采集的信号时序先后分辨出来，简化了光学发射系统的焦距调节结构。在??这期间，最早的脉冲相干测风雷达系统同样在美国ＮＡＳＡ的协助下研制出来，??其设计的主要目的是为了测量大气湍流强度给机场飞机起降提供安全保障。并且??在完成了地基测量后搭载在美国通用动力公司的Ｃｏｎｖａｉｒ飞机上进行了测试，验??证了设备搭载在不同的平台上。１９８４年，Ｗｅｂｅｒ等人研制了由美国国家海洋和大??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]风廓线雷达资料在天气业务中的应用现状与展望[J]. 张小雯,郑永光,吴蕾,周康辉. 气象科技. 2017(02)
[2]全光纤相干多普勒激光雷达非线性最小二乘风速反演方法及实验研究[J]. 刁伟峰,刘继桥,竹孝鹏,刘源,张鑫,陈卫标. 中国激光. 2015(09)
[3]相干激光测风雷达信号处理系统研究[J]. 李河均,张鹏飞,潘静岩,董光焰. 激光与红外. 2013(10)
[4]相干激光测风雷达风场测量技术[J]. 潘静岩,邬双阳,刘果,董光焰,张鹏飞,陈静. 红外与激光工程. 2013(07)
[5]基于多普勒激光雷达低空风切变的数值仿真[J]. 蒋立辉,田百全,熊兴隆,庄子波,姚彬. 红外与激光工程. 2012(07)
[6]Mobile Rayleigh Doppler wind lidar based on double-edge technique[J]. 唐磊,舒志峰,董吉辉,王国成,汪永涛,徐文静,胡冬冬,陈廷娣,窦贤康,孙东松,Hyunki Cha. Chinese Optics Letters. 2010(08)
[7]Design and performance simulation of a molecular Doppler wind lidar[J]. 沈法华,Hyunki Cha,董吉辉,Dukhyeon Kim,孙东松,Sung Ok Kwon. Chinese Optics Letters. 2009(07)
[8]1.06μm直接接收米散射测风激光雷达的性能分析[J]. 孙东松,钟志庆,迟如利,李贤敏,周军,胡欢陵. 激光与红外. 2004(06)
硕士论文
[1]基于多普勒气象雷达的风切变预测研究[D]. 胡琦.上海交通大学 2012
本文编号：3440697
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１微下冲气流风切变对飞机航道的影响??
?第１章绪论???的湍流，将会降低接触到的后方风轮的发电效率和使用寿命［２５－２６］。由于风轮尾流??和当地的地形起伏、风场及风轮大小都有关系，为了每个精确的测定风轮尾流的??长度和扩散范围，同样需要能精确的测量大片实时风常目前激光测风雷达也在??风机部署间隔的优化这方面取得了应用［２７］。??幽■?＊??图１．２典型的风力发电厂??大气风场的探测还有利于提高天气预报的准确度。准确的天气预报以及对台??风等灾害天气的预警有助于人们合理安排生产生活以及避免生命财产损失。而造??成天气变化或是气象改变的原因很大一部分是大气的运动，比如气旋、锋面过境、??信风带异变等。因此无论是边界层内高精度大范围的风场测量还是对高至平流层??的长期长期风场探测，都可以对气象预报或气候预测提供参数［２ＷＧ］。??１．２风场探测的主要方法??目前，风场探测的常用方法包括超声波风速仪、多普勒雷达，无线电探空仪??和测风激光雷达。??典型的超声波风速仪一般有着三个等间距得超声波收发探头。在设备运转时，??每个探头向另外两个探头发出超声波脉冲并接收两个探头发来的脉冲。由于声波??在顺着风速传播时，传播速度加快；而在逆风传播时传播速度减慢。在三个探头??完成共６条超声波脉冲的收发后，可以根据同一条路径上接收和发送的时间间??隔，计算风速在这个方向的风量。最后通过在三个方向上的风速分量合成得到风??速和风向。超声波风速仪测量结果精度高，时间分辨率也高且运行稳定可以在无??人值守的环境下长期测量并输出数据。广泛应用与气象局测风塔、机场以及风电??等领域。但超声波风速仪在空间上只能测量一点的风场，无法掌握整个风场动态。??多普勒雷达同样可
?第１章绪论???进行整理分析。??在１９６３年，Ｂｉｅｍｓｏｎ等人就己经探讨了适用于激光雷达外差探测的激光信??号及雷达结构［３２］，并在后续的实验中用外差接收机测到了?ｌｋｍ范围的大气回波??信号Ｐ扎在６０年代末，随着Ｃ０２激光器的发明与成熟，其凭借能量转化效率高、??输出功率高、能量稳定、１０．６?波长位于大气透过率窗口等特点取代了红宝石??激光器成为了当时绝大多数激光雷达研宄者的选择。１９６８年，Ｈｕｆｆａｋｅｒ等人在美??国航天局的支持下研制成功了世界上第一台相千测风激光雷达系统［３４］，该系统采??用Ｃ〇２激光器发射连续激光做为光源通过改变光学发射系统的焦距得到不同距??离为中心的回波信号，最远能测量数百米的大气风速。在１９７０年，这套系统在??测量不同高度的风速廓线以及测量机场跑道区域大气湍流方面取得了实验成果??［￥３６１。这套系统在机场的测量现场图见图１．３。??■?１１?■??Ｋｆｅ?Ｈ?■??图１．３连续波Ｃ０２测风激光雷达的机场测量现场图??随着脉冲Ｃ〇２激光器技术的成熟，发射的单脉冲激光能量能达到１０?ｍＪ以??上意味着可以获得更远距离的测量信号。不同距离上的气溶胶米散射回波信号可??以通过采集的信号时序先后分辨出来，简化了光学发射系统的焦距调节结构。在??这期间，最早的脉冲相干测风雷达系统同样在美国ＮＡＳＡ的协助下研制出来，??其设计的主要目的是为了测量大气湍流强度给机场飞机起降提供安全保障。并且??在完成了地基测量后搭载在美国通用动力公司的Ｃｏｎｖａｉｒ飞机上进行了测试，验??证了设备搭载在不同的平台上。１９８４年，Ｗｅｂｅｒ等人研制了由美国国家海洋和大??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]风廓线雷达资料在天气业务中的应用现状与展望[J]. 张小雯,郑永光,吴蕾,周康辉. 气象科技. 2017(02)
[2]全光纤相干多普勒激光雷达非线性最小二乘风速反演方法及实验研究[J]. 刁伟峰,刘继桥,竹孝鹏,刘源,张鑫,陈卫标. 中国激光. 2015(09)
[3]相干激光测风雷达信号处理系统研究[J]. 李河均,张鹏飞,潘静岩,董光焰. 激光与红外. 2013(10)
[4]相干激光测风雷达风场测量技术[J]. 潘静岩,邬双阳,刘果,董光焰,张鹏飞,陈静. 红外与激光工程. 2013(07)
[5]基于多普勒激光雷达低空风切变的数值仿真[J]. 蒋立辉,田百全,熊兴隆,庄子波,姚彬. 红外与激光工程. 2012(07)
[6]Mobile Rayleigh Doppler wind lidar based on double-edge technique[J]. 唐磊,舒志峰,董吉辉,王国成,汪永涛,徐文静,胡冬冬,陈廷娣,窦贤康,孙东松,Hyunki Cha. Chinese Optics Letters. 2010(08)
[7]Design and performance simulation of a molecular Doppler wind lidar[J]. 沈法华,Hyunki Cha,董吉辉,Dukhyeon Kim,孙东松,Sung Ok Kwon. Chinese Optics Letters. 2009(07)
[8]1.06μm直接接收米散射测风激光雷达的性能分析[J]. 孙东松,钟志庆,迟如利,李贤敏,周军,胡欢陵. 激光与红外. 2004(06)
硕士论文
[1]基于多普勒气象雷达的风切变预测研究[D]. 胡琦.上海交通大学 2012
本文编号：3440697
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