多普勒测风激光雷达系统

49多普勒测风激光雷达系统1.研究背景大气风场信息是一项重要的资源，精确可靠的大气风场测量设备可提高风电可再生能源领域的利用率，改进气候气象学模型建立的准确性，增强飞行器运行的安全性，因此在风电、航空航天、气候气象、军事等领域都有着重要的意义。风场信息测量的手段主要分为被动式和主动式两大类。传统的被动式测量装置有风速计、风向标和探空仪，主动式测量装置有微波雷达、声雷达等。风速计和风向标只能实现单点测量，借助测风塔后实现对应高度层的风场信息检测，这类传统装置易受冰冻天气影响，测风塔的搭建和维护也需要花费大量的人力物力，还存在移动困难和前期征地手续复杂等问题；微波雷达以电磁波作为探测介质，由于微波雷达常用波长主要为厘米波，与大气中的大尺寸粒子（如云、雨、冰等）相互作用产生回波，无法与大气中的分子或气溶胶颗粒产生作用，而晴空时大气中大尺寸粒子较少，因此微波雷达在晴空天气条件下将出现探测盲区。另外，微波雷达还具备庞大的收发系统也导致其移动困难；声雷达与微波雷达测量原理相似，不同的是将探测介质由微波改为了声波。声雷达的探测方式使得在夜间和高海拔地区易出现信噪比降低的情况甚至无法测量。因此，迫切需要补充新型的风场测量手段替代传统测风装置实现大气风场信息的测量。2.测风激光雷达系统2015年，南京牧镭激光科技有限公司成功研制出国产化测风激光雷达产品MolasB300，该产品基于多普勒原理可实现40～300m风场信息测■黄晨，朱海龙，周军南京牧镭激光科技有限公司第一作者黄晨量，风速测量精度可达0.1m/s，风向测量精度可达1°，数据更新率为1Hz，风速测量范围可达0～60m/s。测风激光雷达定位为外场应用装备，对环境适应性有较高要求，MolasB300可在外界温度范围为-40℃～50℃，相对湿度为0%～100%的环境条件下正常工作。除此以外，MolasB300体积小质量轻（约50kg）方便运输安装便捷，可显著降低项目前期施工时间。测风激光雷达采用激光作为探测介质，可与空气中微小颗粒发生相互作用，具有时空分辨率高、自动化程度高、安装简单易维护、移动便携性好等优势，可有效提高项目实施效率，因此成为了最具前景的风场信息测量手段。表1各类风场探测技术的优缺点探测技术优势劣势风速计、风向标较高的水平分辨率，成本低单点测量微波雷达三维风场探测，测量距离可达100km晴空条件下不能使用，体积庞大声雷达三维风场探测探测距离较近，易受大气环境影响测风激光雷达三维风场探测，晴空下仍能测量，移动便携性好图1测风激光雷达MolasB30050图1和图2分别为测风激光雷达的实物图和原理框图，其基本原理为：光纤激光器产生的信号光通过光学天线和扫描机构发射到待测空气中，脉冲激光与大气中的气溶胶颗粒相互作用产生携带其速度信息的后向散射信号。由多普勒原理可知，回波信号的多普勒频移fd与气溶胶颗粒运动速度（即风速）成正比，因此光学天线接受到的后向散射信号通过和系统内光纤激光器产生的本振光拍频进行数字解调即可进行算法处理得到待测目标的风场信息。提取多普勒频移即可计算出当前方位的视向风速，从而根据风速反演算法推出该点风速风向等信息。MolasB300可同时提供40～300m内用户自定义12个高度层的风速风向信息，图4（a）为实测风廓线图，可通过风廓线直观观测到不同高度层风速的变化。图4（b）为MolasB300客户端软件界面，该界面可实时显示实测风廓线、风向廓线以及雷达工作状态、位置信息、方向信息等基本情况，用户登录客户端还可实现测风激光雷达远程控制，实时下载数据等功能。3.测风激光雷达在风电场的应用在风电可再生能源领域，测风激光雷达可用于风电场前期微观选址、风功率曲线测试、风电场后评估等需要精确风场信息的阶段。1)前期选址目前，风电行业普遍采用的测风设备是风杯风速计。在风电场前期选址的过程中，通常通过树立测风塔来获取观测数据以评估该区域的风能储量，但随着风电项目开发的迅速推进，越来越多项目开始向地形复杂地区延伸，这种情况下使用测风塔导致的问题则愈加凸显。首先，复杂地形区域测风塔材料的运输更加困难；其次，搭建测风塔对施工地点要求较高。而测风激光雷达自动化程度高，移动便携性好，设备安装快速简单，可显著降低项目施工实施时间，有效提高项目实施效率。2)风功率曲线测试风电场广泛使用的测风塔多为80m，传统通过测风塔实现风功率曲线测试需要经过外推法计算轮毂高度处的风速，而功率曲线的评估对风速精度的要求很高，0.1m/s的风速误差都将给风电场带来巨大的损失。而测风激光雷达可直接测量40m至300m处的风速，从原理上来说，测风激光雷达为主动式遥感探测技术，风速由激光直接测量获得，应具有更高的准确度。2017年3月，IEC出台的新标准——IEC61400-12-1:2017已接纳测风激光雷达作为风场信息测量装置为风电场进行风功率曲线测试和风资源图2测风激光雷达原理图（a）（b）图3（a）测试现场图；（b）回波信号频谱图（a）（b）图4（a）实测风廓线；（b）MolasB300软件控制界面图3（a）为某地实际测试现场图，MolasB300为风电场提供前期微观选址服务，观测数据用于评估该区域风资源储量，为风电场设计提供数据支撑。图3（b）为实际测试时获取第七方位角的回波信号频谱图，峰值处即为发射信号与气溶胶颗粒相互作用产生携带风速信息的回波信号，通过51评估，并为激光雷达的应用提供具有指导意义的技术基础。因此测风激光雷达代替传统测风塔进行风电场功率曲线预测具有直接的经济效益。3)风电场后评估风电场后评估主要用于评估项目建成后是否达到设计发电能力，通常需要补测大量风场数据，有时补测数据的地方前期并没有树立测风塔，若重新树立测风塔将耗费大量时间，而采用测风激光雷达可快速便捷安装设备实现风场数据的测量。4.测风激光雷达的其他应用1)航空航天领域在航空航天领域，低空风场中的风切变是飞机失事的主要原因，精确掌握飞机下滑道的风场信息可避免飞机起降时风切变引发的事故，加强航空飞行的安全性，提高机场吞吐量。测风激光雷达配备三维扫描头可实现下滑道扫描，实时监测下滑道风场信息的变化，实现风切变预警。美国Lockhead-Martin公司从2002年进入该领域，已经在香港、东京、大阪、伦敦、纽约、旧金山、拉斯维加斯、法兰克福、柏林等地机场安装了测风激光雷达设备以提高航空安全，国内暂时没有机场安装测风激光雷达，潜在市场容量巨大。2)气候气象学在气候气象学领域，风场信息探测设备主要有探空仪、风廓线雷达、声波雷达等。由于各类仪器均存在一定弊端，测风激光雷达可作为补充测试设备用于长期业务化的风场数据观测，保证数据的完整性。除此以外，由于测风激光雷达具备较高的时空分辨率，还可用于优化气候气象学模型。3)军事安全在军事安全领域，炮弹发射阵地的风场对射击精度有重要影响，风场测量数据可用于弹道修正。在航空母舰和其它的舰船上，机群的安全起降也依赖于周围大气风场的精确测量。在卫星、导弹发射时，实时的风场数据不仅是成功发射的安全保障，也是提高发射成功率和导弹命中率的重要因素。可以预见，军事领域也将成为测风激光雷达巨大的应用市场。5.产业化情况当前，国内还鲜有从事激光雷达商业化开发的公司，国外公司的产品在国内市场上处于早期推广阶段，售价较高，而且测风激光雷达属于资源探测系统，采用国外产品在军用场合或其他敏感场合存在泄漏国家安全大数据的隐患。牧镭激光自主研制的测风激光雷达产品MolasB300已在全国30余处实现累计长达4万小时的外场观测测试，并于2016年底委托风电行业第三方检测机构——德国WindGuard股份有限公司进行认证测试，雷达测量数据与国际IEC标准一类风杯风速计所测数据相关性都高达0.99以上。MolasB300具有全面的自主知识产权，可提高国家激光雷达行业的整体技术水平和国际竞争力，还可满足国防、科研等领域用户的需求，提升整体的研究和应用水平，推动产业的升级换代。6.总结随着激光与光电子技术、信号处理技术的发展，测风激光雷达必将成为风场探测相关领域技术革命的推动者，为风场测量提供更完美的解决方案。