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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Molas B300，该产品基于多普勒原理可实现40～300 m 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0.1 m/s ，风向测量精度可达1°，数据更新率为1 Hz ，风速测量范围可达0～60 m/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，Molas B300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，Molas B300体积小质量轻（约50 kg ）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100 km

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Molas B300

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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。

Molas B300可同时提供40～300 m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Molas B300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80 m，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，0.1 m/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40 m

至300 m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——IEC

61400-12-1:2017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）Molas B300

软件控制界面

图3（a）为某地实际测试现场图，Molas

B300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