一、摘要
通过在全球部署的超过 1000 台已投入使用的激光雷达系统, vaisala 能够供风廓线、风切变、湍流层、云层和边界层高度以及是否存在气溶胶等实时、关键气象测量数据和大气测量数据。船载多普勒激光雷达测量有助于填补海洋高时空风廓线的数据缺口。在本试验中,一台固定于稳定平台的 windcube200s 扫描多普勒激光雷达安装在“嘉庚号”科考船上,于2021 年 5 月- 2021 年 6 月在南海海域进行了试验。本文主要目的是验证船载激光多普勒雷达测量的稳定性和准确性,验证后处理校正算法的有效性。
我们将激光雷达的风廓线与 GPS 探空仪的风廓线测量进行了比较, 激光雷达与GPS探空测量表现出很高的一致性,需要说明的是探空数据是从升空到4km的高度花费需要18分钟左右,而激光雷达选择的是相近时间的平均值,所以有些时候在风场变化很快的时候会有不同的测量结果。
二、项目介绍
设备安装照片如下图:
三、船载激光雷达技术
本系统采用法国相干多普勒激光雷达,运动修正采用主动式机械平衡台与软件后处理修正方法。激光雷达按照以下程序依次完成测量:
1. 激光雷达在大气层中发送红外脉冲。
2.当脉冲穿过大气层时,部分信号受空气中的颗粒(灰尘、云雾中的水滴、受污染的气溶胶、盐晶体、生物质燃烧产生的气溶胶)影响发生反向散射。这类移动的颗粒会造成在反向散射
辐射中发生与颗粒的径向风速成正比的频移(称为“多普勒频移”)。
3. 仅获得一次脉冲信号数据不足以取得良好的信噪比,也无法正确估计风速。因此,Windcube 激光雷达系统在一段时间内发送多个脉冲信号,该时间称为积累时间,对应于激光雷达系统的时间分辨率。
4.然后激光雷达将处理反向散射的信号并计算径向风速。
相干脉冲式多普勒激光测风雷达原理
激光测风雷达扫描模式
激光测风雷达参数定义
激光测风雷达 Windcube 200S 技术参数
3.1 雷达扫描设置
扫描类型:DBS(多普勒波束扫描)
♢ 方向参数
仰角:62°
♢ 运动参数
采集时间:1000ms
完成1次五波束扫描的运行时间:约13s
♢ 距离参数
分辨率:50m
测量点数:125
极小高度:100m
显示分辨率:50m
极大高度:6300m
3.2 平衡台
3.2.1 平衡台功能
通过将激光测风雷达安装在平衡台上,实现风雷达在船舶航行过程中对船体摇摆的修正,使风雷达保持在相对稳定(倾斜角度在 0.2°范围内)的姿态进行测量工作。
3.2.2 平衡台工作原理
六自由度运动试验台采用 Stewart 平台结构,通过六套伺服作动器的伸缩来实现上平台在空间内六自由度的运动。运动台的工作原理为:操作人员通过监控单元的人机操作界面对期望复现的运动,如平台位移、姿态的波形、幅度、频率等参数进行设置。这些运动参数传输给运动控制计算机,运动控制计算机通过实时运动学解算(运动学位置反解),得出作动器运动量并生成控制指令,该控制指令由伺服控制单元经过信号调理后输出,驱动伺服系统运动实现所期望的运动姿态。同时,伺服控制单元实时采集作动器的位移、速度等参数,实现运动试验台的监测与保护,并对各种信息进行显示。
3.2.3 平衡台技术参数
♢ 具有空间六个自由度,能够满足用户试验件设计半实物仿真需求。能够模拟飞行谱、路谱、海浪谱;单自由度运动;倾斜试验等六自由度运动;
♢ 负载重量:350Kg;
♢ 摇摆台重量:500Kg;
♢ 台面尺寸:1.1m×1.02m,按用户要求做连接孔;
♢ 控制台尺寸:宽 0.6m×长 1.15m×高 1.15m。
1)角度重复定位精度:±0.1°
2)直线重复定位精度:±0.1mm
3)运动频率范围:0.01-20Hz。
4)防水等级:IP67。
3.3 后处理软件
对原始数据进行姿态修正和航速航向修正,输出修正后的 RTD 和 STA 文件
四、数据分析
4.1 修正前后数据对比
图 a 是纬度,图 b 是经度,图 c 是船的航速,图 d 是船的航向,图 e 是船的朝向。从图 c 可以看出船有航行和停止,图 d 的航向也波动较大。图 e 船体的朝向,变化相对较小。与事实情形相符。图 f 中的蓝线是利用船体朝向修正风向后的激光雷达风速,对于图 c 船的航速,可以发现,风速有相应的波动。图 f 中的橙色线,是进一步利用船的航速和航向修正后的风速,与船速相应的波动消失。(该结果非常好,表明修正后的结果是合理的)
图 g 是修正后的激光雷达风向,修正后的风向变化较平稳,没有与船相联系的变化。该结果也很好说明修正是合理的。
下图更能说明风速修正的合理性。黑色是修正前的激光雷达风速,橙色是船的速度,可以看到两者有显著的对于变化,表明船的运动导致激光雷达测量风速的变化。蓝色线是修正后的结果,此时与船速对应的变化已经消失,与事实吻合。黑色与蓝色对应左侧 Y 坐标,橙色线对应右侧 Y 坐标。
4.2 与探空气球数据对比
4.2.1风廓线对比
4.2.2 风速相关性对比
下面为探空每秒数据和雷达十分钟平均的风速数据相关性分析图
4.2.3 风向相关性对比
下面为探空每秒数据和雷达十分钟平均的风向数据相关性分析图
五、信噪比阈值影响
WINDCUBE200s 信噪比(CNR)是激光雷达数据质量控制的关键参数之一,其在出厂时经过标定,大致阈值范围为-32dB 至-26dB,且随物理分辨率(Range Gate Length)值增大而降低。
基于多年实际应用经验,激光雷达测量数据质量主要取决于测量时的大气条件(气溶胶含量等),且 WINDCUBE 系列激光雷达的数据过滤为业务化运行设计,指标趋严格,进而对采集数据的有效性和测量距离产生一定影响。
参考相关文献(doi: 10.1016/j.egypro.2014.07.230)中对数据有效性的分析,如文中截图所示(见上图),实验采用 WINDCUBE100s 型激光雷达,灰色直线为默认信噪比阈值(约-27dB),但激光雷达测量有效数据明显可超出此阈值范围。
在 某 些 适 合 的 大 气 条 件 下 , 激 光 雷 达 甚 至 可 高 于 标 称 的 典 型 测 量 距 离 ,
如上面 WINDCUBE200s 在日本某地 2021 年初的实例截图所示,激光雷达物理分辨率设置为 100 米,累积时间为 1 秒,测量高度已达到 10 公里以上。
以上 6 张结果图所示为本航次中 2021 年 5 月 20 日至 25 日信噪比和测量高度的分析,绿色直线为本次实验中 WINDCUBE200s 型激光雷达的信噪比阈值(约-27dB),黄色直线为供参考的-32dB 阈值。可见激光雷达在所有预设的高度层(100 米至 6300 米)都采集到了数据,为保证数据质量, 数据处理中采用了严苛的-27dB 信噪比过滤上限值。
六、总结
结果表明,运动对船载激光雷达水平风速测量有显著影响。平衡台和后处理修正很好的去除了这些影响,数据质量达标。