激光雷达测风技术(4)
激光雷达测风技术(4)
矢量风速反演方法
1. 矢量风速V (u, v, w) 是少需要三个独立的径向速度估计 2. 理想情况下：矢量风速应该在空间某一点同时测量出它的三个方 向的速度值，即至少需要三部激光雷达系统 3. 实际情况下：确定风场的水平方向，利用激光雷达的扫描技术确 定风速的矢量。常用以下两种扫描技术： – 速度方位显示扫描技术(Velocity-azimuth-display, VAD)，即激 光雷达光束以固定倾角进行圆锥形扫描 – 多普勒光束定向摆动扫描技术(Doppler-Beam-Swinging， DBS)，即点激光雷达光束垂直指向并向东倾斜和向北倾斜
Laser
I − IL 1 ν d = ν −ν L = I 0 T ' (ν L )
ν
ν0 ν νL
T2(ν)
T1(ν) I01 Intensity
Backscattered signal IL I02 Laser
νd =
ν
1 I0
I 01 − I L I 02 − I L 1 I 01 − I 02 − & = T1 ' (ν L ) T2 ' (ν L ) I 0 T ' (ν L )
ν 中心 20
Etalon 1
Etalon 2
双通道F -P 标准具
Frequency
航天学院
NASA/Goddard车载测风激光雷达 车载测风激光雷达
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率 望远镜：口径 FOV 扫描方式 测量范围 距离分辨率
指 标 355nm 70mJ 50Hz 45cm 0.2mrad XY双轴半空间 1.8~35km 0.25km@<3km 1km@>3km
激光雷达测风原理
激光雷达测风原理
嘿，朋友们！今天咱来唠唠激光雷达测风原理。
你说这激光雷达测风，就好像是给风拍了个超级特写！
咱先想想，风这玩意儿，看不见摸不着，就像个调皮的小精灵，到处乱跑。
那怎么才能抓住它的小辫子呢？激光雷达就出马啦！它就像是个超级侦探，用一束束激光去探寻风的秘密。
激光雷达会发射出激光束，这束光就快速地往前冲啊。
当它碰到空气中的颗粒物啥的，就会反射回来。
这一去一回的时间，激光雷达就能算出距离啦。
然后呢，通过不断地发射和接收，就能知道这些颗粒物移动的速度和方向。
嘿，这不就相当于知道风的情况了嘛！
你看啊，这就好比你在操场上看着同学们跑来跑去，你虽然不能直接抓住他们，但你可以通过观察他们跑过一段距离所用的时间，来大概知道他们跑得多快，往哪个方向跑。
激光雷达测风不就是这么个道理嘛！
而且啊，激光雷达可厉害着呢，它能探测到很高很远的地方的风。
就好像它有一双千里眼，不管风藏在哪个角落，它都能找到。
这多牛啊！
想象一下，如果没有激光雷达，我们对风的了解就会少很多，那很多事情可就不好办啦。
比如说那些靠风发电的大风车，要是不知道风的情况，怎么能好好发电呢。
还有飞机飞行，要是不了解风，那多危险呀。
激光雷达测风原理，真的是给我们打开了一扇了解风的神奇大门。
它让我们能更准确地掌握风的动态，更好地利用风的力量，也能让我们在面对风的时候更加从容不迫。
所以说啊，这激光雷达测风原理可真是个了不起的东西！它就像一把神奇的钥匙，解开了风的神秘面纱，让我们能和这个看不见的小精灵更好地相处，为我们的生活带来更多的便利和安全。
咱可得好好珍惜和利用这个厉害的技术呀！。
相干激光测风雷达风场测量技术
ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｈ ｔ ｎ ａ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｗｉ ｎ ｄ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｔ ｈｅ ｔ ｔ ｏ ｐ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｔ ｏ ｗｅ ｒ（ １ ０ ３ ｍ ｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ）ａ ｎｄ ａ ａ ｉ ｒ
潘静岩 ， 邬双阳， 刘 果， 董光 焰 ， 张鹏 飞 ， 陈 静
（ 中 国电子科技 集 团公摘 要 ： 研 发 了一套 全 光纤化 相 干 多普 勒 激 光 测风 雷达 设 备 ，并 已作 为 试验 样机 应 用 于 ＸＸ Ｘ 工程
的风 场测 量工 具之 一 。
关 键 词 ：相 干激 光测 风 雷达 ； 相 干探 测 ； 指标 测 试
中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｎ９ ５ ８ ． ９ ８ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ７ — ２ ２ ７ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ —１ ７ ２ ０ — ０ ５
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｎ ａ ｌ ｌ － ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｃ ｏ ｈ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｄ ｏ ｐ ｐ ｌ ｅ ｒ ｌ ｉ ｄ ａ ｒ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ， ａ ｎ ｄ ｈ ａ ｄ ｂ ｅ ｅ ｎ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｔ ｏ Ｘ Ｘ Ｘ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ａ ｓ ａ
第４ ２卷 第 ７期
ＶＯ１ ． ４２ Ｎ ｏ． ７
红 外 与 激 光 工程
Ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ Ｌａ ｓ ｅ ｒ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ３年 ７ 月
Ｊ ｕ １ ． ２ ０ １ ３
相 干 激 光 测 风 雷 达 风 场 测 量 技 术
利用激光雷达对风的测量与分析在风力发电中的应用
利用激光雷达对风的测量与分析在风力发电中的应用摘要：风力发电是一种清洁、可再生的能源，激光雷达作为一种高精度、高可靠性的测量工具，在风力发电中得到了广泛的应用。
本文首先介绍了激光雷达的基本原理和风测量中的应用方法，然后详细讨论了激光雷达测量风速和风向的精度和可靠性。
接着，探讨了激光雷达在风能资源评估、风力发电机组的控制和风力发电场的运维管理等方面的应用。
通过本文的研究，能够为今后激光雷达对风的测量与分析在风力发电中的应用提供一定的参考与借鉴。
关键词：激光雷达；风力发电；风测量；风能资源评估随着环境保护意识的增强和对可再生能源的需求不断增加，风力发电作为一种清洁、可再生的能源得到了广泛的关注和应用。
风力发电的效率和稳定性对于其经济性和可持续性至关重要。
而激光雷达作为一种高精度、高可靠性的测量工具，可以提供准确的风速和风向数据，对于风力发电的运行和管理起到至关重要的作用。
一、激光雷达对风的测量原理和方法1.1 激光雷达的基本原理激光雷达是一种利用激光束进行测量的仪器，它可以通过测量光的传播时间来计算目标物体的距离。
激光雷达的基本原理是发射一束激光束，当激光束遇到目标物体时，会被目标物体反射回来，激光雷达接收到反射回来的激光束后，通过测量激光束的传播时间来计算目标物体的距离。
1.2 激光雷达在风测量中的应用方法激光雷达在风测量中的应用方法主要有两种：一种是通过测量激光束的传播时间来计算风速；另一种是通过测量激光束的偏转角度来计算风向。
1.3 激光雷达测量风速和风向的精度和可靠性激光雷达测量风速和风向的精度和可靠性主要受到以下几个因素的影响：激光雷达的精度、目标物体的反射特性、大气条件和测量距离。
二、激光雷达在风力发电中的应用2.1 激光雷达用于风能资源评估风能资源评估是确定风力发电场的可行性和优化布局的重要步骤。
激光雷达作为一种高精度、高可靠性的测量工具，在风能资源评估中发挥着关键的作用。
首先，激光雷达可以提供准确的风速和风向数据。
科技成果——激光测风雷达
科技成果——激光测风雷达技术开发单位中国兵器工业集团公司第二〇九研究所技术简介激光多普勒测风雷达是利用大气中随风飘移的气溶胶对激光散射的多普勒频移效应，来测量大气风场结构分布的一种现代光电技术。
其主要特点是采用光学方法，对测量空域的大气风场进行非接触式实时三维测量，具有响应快、精度高、空间分辨率高、体积小、结构紧凑等特点，在风力发电站、短期气象监测及预报、大气环境监测等方面具有广泛的应用前景，是一种新型、高效的气象条件测量系统。
激光多普勒测风雷达采用相干探测原理，利用人眼安全的1550nm激光作为照射光源，通过接收激光束对大气中随风飘移气溶胶的散射回波信号并与雷达本振光进行相干混频，并通过中频信号的数字鉴频技术来获得汽溶胶相对激光束的多普勒频移，结合雷达的光机扫描，最终实现对大气风场信息的测量。
该技术包括系统总体技术、激光发射技术、高效灵敏接收技术、大气风场实时信息处理及风场反演技术等。
上述关键技术已经得到突破，系统中的主要核心部件均已实现国产化。
该技术可用于风力发电站行业，代替传统的测风塔，实现对风机选址地点的常年观测，同时，还可以安装于风机机舱顶部，实现对风机前方大气风场的实时监测，为风机运行工作提供修正参数，以提高产量。
同时改进型的二维扫描激光测风雷达，可以实现对大气风场的全覆盖监测，获得大气风廓线及大气风场的PPI、RHI及CAPPI等扫描产品，以及飞机起降通道的大气风切变、迎头风、跑道横风等产品，以保障飞机起降安全。
技术指标工作波长：1550nm；测量高度（距离）范围：10-200m/50-3000m；风速范围：0-50m/s；风向范围：0-360度；风速精度：0.3m/s；风向精度：5度。
技术特点采用全光纤相干光路，环境适应能力强；主要部件采用全国产化器件，工作可靠。
技术水平国际先进可应用领域和范围风力发电、民用航空气象保障等专利状态已取得专利1项技术状态试生产、应用开发阶段合作方式合作开发投入需求1000万元转化周期1-2年预期效益近年来对风力发电行业方兴未艾，国家大力投入，各地区建立了诸多风力发电厂。
激光雷达海上测风方案
WINDCUBE激光雷达海上测风方案北京莱维塞尔科技二零一二年目录引言1第一部分海上单桩平台介绍2一、桩体结构形式：2二、桩体俯视图2三、桩体加工与运输2四、施工介绍21、组织结构22、施工流程2第二部分海上激光雷达介绍4一、WINDCUBE激光雷达基本介绍41、主要特点：42、应用领域：53、评估认证：64、Windcube 发展演变：6二、系统技术及性能指标72.1WINDCUBE技术原理72.2WINDCUBE系统组成72.3数据处理软件描述1、软件界面72.4系统技术指标9四、可选模块说明91、WINDCUBE双供电系统-M50VP〔甲醇燃料+太阳能板92、3G/SAT无线传输93、WINDCUBE CFD软件工程104、GPS安全跟踪系统105、PTU 传感器11五、系统维护11第三部分、成功应用案例及安装现场11一、经典应用案例11二、安装现场111、在孤岛上——悬崖边122、在灯塔上——Nass&Wind - Lighthouse123、在大的海上平台上: RES ltd –platform <Race bank round 2>124、在小的海上平台上-中国国电集团项目12引言Windcbue海上激光雷达测风系统采用特殊设计的单桩独柱平台,加上轻巧便携的Windcube 激光雷达测风装置,配套供电系统、防雷系统、航标装置及辅助测风系统,形成一套完备的新型式海上测风体系。
与传统式海上测风塔相比,激光雷达海上测风系统特点如下：结构简单、安装方便施工周期短：传统式海上测风塔制作及施工复杂,时间基本上需要6个月左右；而单桩基础设计、制作及施工简单,施工面积小,只需要1个月就可以完成,激光雷达安装只需2天,因此,使工期大大缩短。
迁移方便,可重复利用：在陆上测风塔移塔是很普通的事情,但对于海上测风塔,移塔却非常困难,迁移费用高；而激光雷达测风系统,迁移非常方便,可多次重复利用。
风力发电机组 测风激光雷达 技术要求与试验方法
风力发电机组测风激光雷达技术要求与试验方法1. 引言1.1 概述风力发电是一种利用风能转换为电能的可再生能源的技术。
随着全球对清洁能源需求的增加，风力发电机组逐渐成为主要的电力供应方式之一。
测风激光雷达是一种用于准确测量大气中风速和方向的先进技术。
本文将围绕着风力发电机组与测风激光雷达之间的关系，探讨其技术要求和试验方法。
1.2 文章结构本文共分为五个部分，分别是引言、风力发电机组技术要求、测风激光雷达技术要求、技术要求与试验方法比较分析以及结论与展望。
在引言部分，我们将对文章进行一个整体的介绍和概述。
随后，在各个章节中，我们将详细讨论风力发电机组和测风激光雷达的相关技术要求，并通过比较分析它们之间相互影响和依赖关系来探讨它们在实际应用中可能出现的问题。
最后，在结论与展望部分，我们将对本文所阐述的内容进行总结评价，并提出未来研究的方向。
1.3 目的本文的主要目的是对风力发电机组和测风激光雷达技术要求与试验方法进行详细研究和比较分析。
通过探讨它们的原理、功能需求、设计要素、安全考虑以及技术参数等方面，可以更好地了解它们之间的关联性，为相关领域的研究和应用提供参考依据。
同时，通过对比分析不同技术标准和试验方法，可以揭示出可能存在的差异和问题，并为进一步改进和优化这些技术提供指导意见。
最终，本文旨在促进风力发电领域与测风激光雷达领域之间的交流与合作，推动能源行业向更加清洁、高效和可持续发展迈进。
2. 风力发电机组技术要求：2.1 功能需求：风力发电机组作为一种可再生能源装置，其功能需求主要包括以下几个方面：1）高效转化：能够将风能高效转化为电能，实现最大化的能量利用；2）稳定输出：具备稳定的电力输出特性，能够适应不同风速和气候条件下的工作环境；3）自适应调节：具备自动调节机制，可以根据实时的风速变化进行叶片转速的控制，以更好地匹配风能资源；4）系统监测：配备完善的监测系统，对设备运行状态、功率输出等进行实时监测和数据记录；5）安全保护：具备多重安全保护功能，防止因恶劣天气或异常情况导致设备损坏或人身伤害。
激光测风雷达介绍
激光测风雷达供应商：
型号：Molas B300 制造商：南京 价格：65万左右 产品参数：测量精度（0.1m/s）、采样频率（1s），测量 范围为40-300m； 产品尺寸：520*420*550mm，产品重量<50KG
激光测风雷达供应商：
4、北京
型号：WindDR 制造商： 价格：60万左右 产品参数：产品测量精度（0.2m/s）、采样频率（0.1s）， 测量范围为30-300m； 产品尺寸：560*570*550mm，产品重量约45KG
激光测风雷达使用场景：
3、结冰地区的补充测风
我国湖南、贵州、广西等地区湿度大，存在冰冻现象， 测风塔一方面有倒塔风险，另一方面因传感器附冰而影响 风速数据的测试精度，造成测量数据缺失或数据质量降低 的问题，利用激光雷达补充测量可有效解决因冰冻导致的 数据测量问题，为机组配置提供可靠气象条件数据输入。
激光测风雷达使用场景：
4、高空风廓线测量
随着近年来风电机组日渐大型化，测风塔高度已难以 满足现有机组轮毂高度要求。激光雷达可满足40m~300m高 度测量，利用激光雷达测量风廓线，可测量风机扫风面从 下叶尖到上叶尖的实际风廓线。
激光测风雷达使用场景：
5、海上风资源评估
目前，海上风电场前期测风仍主要采用海上测风塔方 式。海上测风塔具有造价成本高、维护成本高、测量限制 因素多（塔影效应、测量高度、传感器数量）等问题。而 激光雷达的便携性，则为上述问题提供了一种新的解决方 案。
要求，仅通过测风塔数据模拟得到的结果存在很大差异。 而通过激光雷达在风险区域实地测量，结合现有测量结果 和软件模拟对比，将有效识别风险区域的真实性，规避潜 在风险。
激光测风雷达使用场景：
2、功率曲线验证
风力发电机组 测风激光雷达 技术要求与试验方法
风力发电机组测风激光雷达技术要求与试验方法1.风力发电机组是一种利用风力发电的装置。
Wind turbine is a device that generates electricity using wind power.2.测风激光雷达是一种用激光技术测量风速和方向的设备。
Lidar for wind measurement is a device that measures wind speed and direction using laser technology.3.风力发电机组的转子叶片需要根据测风激光雷达的数据进行调整。
The rotor blades of the wind turbine need to be adjusted based on the data from the wind measuring lidar.4.测风激光雷达的技术要求包括高精度、远距离测量、快速响应等。
Technical requirements for wind measuring lidar include high precision, long-range measurement, and quick response.5.测风激光雷达需要经过严格的校准和测试，以确保准确性和可靠性。
Wind measuring lidar needs to undergo rigorouscalibration and testing to ensure accuracy and reliability.6.测风激光雷达的测试方法包括对比分析、场地实测等。
Testing methods for wind measuring lidar include comparative analysis and on-site measurements.7.风力发电机组的测风激光雷达需要定期维护和校准。
Wind turbine's wind measuring lidar needs regular maintenance and calibration.8.测风激光雷达的数据可以用于预测风力发电机组的发电量。
激光测风雷达风场探测性能评估
激光测风雷达风场探测性能评估激光测风雷达风场探测性能评估激光测风雷达（Lidar）是一种基于激光技术的远程风速和风向测量工具。
相比传统的塔式风杆观测和气象探空测量方法，激光测风雷达具有非常大的优势，可以实现对风场的全方位、高时空分辨率的探测和监测。
激光测风雷达的工作原理是利用激光束在空气中的散射现象。
当激光束经过空气中的气溶胶颗粒、水蒸气分子和尘埃等物质时，会发生散射。
通过测量散射光的回波特性，可以得到大气中气溶胶物质的浓度、风速和风向等气象参数。
首先，我们来评估激光测风雷达的风速测量性能。
激光测风雷达采用多普勒技术，通过测量散射光的频率偏移来计算风速。
然而，在实际应用中，由于多种因素的干扰，如大气湍流、水平和垂直风向变化等，风速的测量精度可能会受到影响。
因此，在评估风速测量性能时，需要考虑这些干扰因素。
为了提高测量的准确性和可靠性，可以采用多个激光测风雷达同时观测同一位置的风速，通过对比和统计分析数据，得出更加准确的结果。
其次，我们来评估激光测风雷达的风向测量性能。
激光测风雷达可以通过测量散射光的相位差来计算风向。
然而，在实际应用中，由于大气湍流和辐射等因素的影响，风向的测量精度可能会受到一定的限制。
在评估风向测量性能时，需要考虑这些干扰因素，并采用多个激光测风雷达进行观测以获得更精确的结果。
此外，激光测风雷达还可以测量大气中的气溶胶物质，并根据散射光的特征来判断气溶胶颗粒的浓度和大小。
这对于环境监测和空气污染防治非常重要。
在评估气溶胶物质测量性能时，需要考虑气溶胶颗粒的类型、形状和浓度等因素，并与传统的测量方法进行对比和验证。
最后，我们可以针对不同的应用场景评估激光测风雷达的性能。
例如，在风力发电领域，激光测风雷达可以用于测量风场，预测风能资源分布和风电场设计等。
在气象研究领域，激光测风雷达可以用于对大气运动和边界层特性进行研究。
通过对这些不同的应用场景进行性能评估，可以更好地了解激光测风雷达的优势和局限性，从而为其进一步的应用和改进提供参考。
激光测风雷达
(9)
图 2.激光多普勒测风原理
多普勒测风激光雷达是利用光的多普勒效应， 测量激光光束在大气中传输其 回波信号的多普勒频移来反演不同高度处的风速分布。激光具有单色性、相干性 强的特点，而且波长较短，因此利用气溶胶的后向散射光，就能够获得足够强的 多普勒测风信息，有利于探测微风速，具有较高的测风精度。若大气气溶胶散射 粒子相对于光源运动， 则所接收气溶胶辐射的散射光频率不仅取决于照射光的频 率，而且还与气溶胶散射粒子相对于光源的运动速度、运动方向有关。根据公式 （9）可以表示为
ks
2 s λ
（15）
ki
2 i λ
（16）
如图 2 所示，利用散射光的频移ΔνD，即可根据式(14)求得沿 ks ki 方向上 的风速分量， 通常采用多普勒测风激光雷达测风，这是激光雷达接收的是大气和 气溶胶粒子的后向散射光，因此有 ki ks ，于是式(14)可以简化为：
ΔVD
根据时间相对性
' t2 t1' t2 t1 1 v / c
(5)
(6)
观测者接收的频率为
VD
而 Vs=
N N N 1 v / c ' ' (t2 t1 )(1 v cos / c) (t2 t1 )(1 v cos / c)
(7)
N t 2 '- t1' 故
(1)光的多普勒效应 当光源和观测者相对运动时，观测者接收到的光波频率不等于光源频率，这 就是光的多普勒效应。 光多普勒效应与声音多普勒效应本质上是不同的，声波依 赖于介质传播，而光波不依赖于任何介质传播。对于任何惯性系，光在真空中传 播速度都相同，所以，光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对运 动的速度，下面按照狭义相对论的观点对光学多普勒效应进行分析。
2024年测风激光雷达市场前景分析
2024年测风激光雷达市场前景分析概览本文将对测风激光雷达市场的前景进行分析。
首先，介绍了测风激光雷达的定义和原理。
接着，分析了测风激光雷达市场的现状和趋势。
最后，讨论了测风激光雷达市场的前景，并提出了建议。
1. 测风激光雷达的定义和原理测风激光雷达是一种利用激光束测量风速和风向的设备。
其原理是通过向大气中发射激光束，并通过检测激光在空气中的散射情况来推断风速和风向。
2. 测风激光雷达市场的现状和趋势目前，测风激光雷达市场处于快速增长阶段。
市场需求的增加，特别是在可再生能源领域的应用，推动了测风激光雷达的广泛采用。
同时，技术的不断进步和降低成本，也促进了市场的发展。
随着可再生能源市场的持续扩大，测风激光雷达将在风电场、太阳能发电等领域得到广泛应用。
此外，气象、航空、建筑等行业也对测风激光雷达有需求，并成为市场发展的重要推动力。
3. 测风激光雷达市场的前景测风激光雷达市场有着广阔的前景。
以下是几个支持该观点的理由：3.1 技术进步推动市场发展随着科技的进步，测风激光雷达的性能不断提升，价格也在逐渐下降。
这使得测风激光雷达更具竞争力，能够满足不同行业的需求。
预计随着技术的进一步发展，测风激光雷达的使用将更加广泛。
3.2 可再生能源市场的增长可再生能源市场的增长将促进测风激光雷达的需求。
由于风电场和太阳能发电的快速发展，测风激光雷达作为风资源评估和风力发电预测的关键工具之一，将在该领域取得重要地位。
3.3 气象行业的需求气象行业对准确的天气预报和气象数据有着高需求。
测风激光雷达可以提供高精度的风速和风向数据，对于天气模拟、气象研究和预测有着重要的作用。
因此，测风激光雷达在气象行业具有巨大的市场潜力。
4. 建议针对测风激光雷达市场的前景，以下是几条建议：•加强技术研发，提高测风激光雷达的性能和精度。
•拓宽市场应用领域，将测风激光雷达应用于更多行业，如航空、建筑等。
•加强市场宣传，提高用户对测风激光雷达的认识和认可度。
激光雷达测风技术4
VR > 0, w > 0, u > 0, v > 0
航天学院
相干激光测风雷达结构
Master oscillator (MO)是稳定单频连续激光器。移频器(AO-M)使发射 光束产生固定频偏。后向散射信号与MO混频产生差频信号，其中包 含散射体多普勒效应的径向速度。
光强变化量频移径向速度； 光强空间分布频移径向速度；
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原子吸收线：频率分析器
光强变化率与风速和温度变化曲线
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单边缘滤波器：频率分析器
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双边缘滤波器：频率分析器
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条纹图像：频率分析器
高分辨率光干涉仪产生空间辐照度分布，亦即代表接收面信号光谱 平均频率利用其中一个图样估计，即锁定峰值照度，计算照度分布 的一阶统计量，类似于被动干涉仪，利用同心环直径确定频移
2. 相干式（直接频率检测FFT） ➢ 外差技术 本振光与信号光 ➢ 自差技术 多频率发射光本身 ➢ 超外差技术 本振光与多频率信号光
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大气分子或气溶胶散射产生的多普勒频移
根据动量守恒和能量守恒定理：
大气分子或气溶胶散射产生的多普勒频移：
对于前向散射 对于后向散射
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原子吸收产生的多普勒频移
激光雷达测风技术（3）
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大气风场数据获得的手段
1. 地球表面观测系统 ➢ 地面、海面、风散射仪等，只能提供表面大气层的数据
2. 高空单层大气观测系统 ➢ 机载和星载的云图变化的风场推算数据，该方式覆盖范围受限
3. 高空多层大气观测系统 ➢ 无线电探空仪和卫星探测器，无线电探空仪能够提供风场的垂 直分布情况，但是它主要是在北半球的陆地，很难给出大覆盖 范围的观测数据
风电场机组激光雷达测风仪技术要求、测量场地地形评估、测风塔安装规范、湍流规格化功率曲线方法
激光雷达测风仪技术要求A.1 激光雷达测风仪技术性能基本要求A.2 检验要求激光雷达测风仪应定期进行检验，检定周期、检验方式应根据出厂说明进行。
测量场地地形评估不进行标定的测量场地，应满足表B.1所列的条件。
表B.1 无需标定场地条件注释：1.定义的扇区如图B.1所示2.选择与扇区地形最吻合，并通过塔架基础的平面，该平面与实际地形之间的最大倾角，以及偏离平面的最大偏差，定义和计算方法如图B.2所示，倾角计算公式为：最大倾角0max()iiZ Z d -=（B.1） 地形偏离平面最大偏差0max()i Z Z =-（B.2）3.塔架基础与扇区内任一点连接线的最大倾角，倾角计算见公式（B.1），定义和计算方法如图B.3所示。
图B.1 测量扇区分布示意AB图B.2 与扇区地形最吻合的连接线的最大倾角和地形最大偏差AB8L 到16L 之间2L 到2L 量区域图B.3 通过塔架与扇区地形任一点连接平面与水平面之间的最大倾角附录C（规范性附录）测风塔安装规范C.1 一般规定C 1.1 选用的测风装置应经过标定，且在有效期内。
C 1.2 测风装置的安装应牢固、稳定。
C.2 顶部风速计的安装C 2.1 应将风速计安装在测风塔顶端1.5m以上，应通过一个垂直圆管固定风速计，圆管顶端以下1.5m段的直径应不大于风速计，圆管垂直度不大于2º。
C 2.2 风速计以下1.5m内不能存在其他气流干扰物，其他测量仪器应至少在风速计4m以下。
测风塔的任何部分都不能超过以风速计为顶端、以11倍测风塔侧边长度为底部直径的锥面外。
顶部风速计安装示意见图C.1。
图C.1 顶部风速计安装示意C.3 侧边风速计的安装C 3.1 侧边风速计应成使用，若横杆直径为d，测风仪应安装在横杆20d以上，推荐25d；两风速计应等高，相互间隙不小于2.5m且不大于4.0m。
C 3.2 应通过一个垂直圆管将风速计固定在横杆上，风速计以下1.5m内不能存在其他测量装置且风速计4m以下不能存在其他测量仪器。
测风激光雷达介绍
测风激光雷达介绍为实现“双碳”目标，风电行业得到快速的崛起和发展，风电行业的良性发展则离不开风数据的探测。
然而，想让“来无影、去无踪”的风变得可见、可测，成为可以利用的清洁能源，并没有那么容易。
在过去，风电行业主要依赖传统的测风塔进行风速测量和风资源的评估。
在我国，测风塔高度普遍为100米，在测风塔塔体不同高度处安装有风速计、风向标以及温度、气压等监测设备，对场址风力情况进行观测，以此分析该风场内风能资源的实际情况。
测风塔存在几个明显的缺点--一是测量误差大，常规的项目评估，通常采用测风塔进行风资源测量，然后利用风资源评估的商业软件推算风电场各个机位的发电量，但是该方法具有较大的误差；同时，现在平原地区的项目大多风切变较大，测风塔的测量高度通常远低于风机最终采用的轮毂高度，如果仅采用测风塔推算更高高度的风速，会进入较大评估误差。
二是建造和安装问题多，陆上测风塔的建设需要占用一定范围的土地，而海上测风塔的建造成本高昂。
测风塔也存在一定的安全隐患，例如在冰冻天气严重时，可能有倒塌的风险。
激光雷达作为一种新兴的测风手段，如今已被行业普遍接受，并成为一种必不可少的测风技术和手段。
测风激光雷达的工作原理，是利用单频激光的本振光信号与大气中气溶胶对激光的后向散射信号做相干外差探测，通过检测其多普勒频移信息来计算径向风速，通过多光束扫描的方式获得多个方向的风速信息，进一步反演得到实时的风场数据。
国家高新技术企业中科原子精密制造科技有限公司自主研发两款产品--地基式测风激光雷达、机舱式测风激光雷达，用于提供风电领域的测风解决方案。
针对风电场的区域性测风，中科原子研制的多普勒相干探测地基式测风激光雷达可通过测量脉冲激光大气回波的多普勒频移来探测不同高度的风场信息。
该装置探测精度高、便携性好、数据安全，是测风塔的一种高性价比替代方案。
同时其采用全姿态校正算法，可兼容车载及海上浮标平台工作模式。
产品特点高精度：风速0.1m/s，风向0.5°高分辨率：数据刷新率4Hz（软件可调），距离分辨率小于1米测风精细：拥有18个距离门，距离门可实现灵活设置易安装：体积小，重量轻姿态灵活性：适用于地基、车载及海上浮标平台工作扫描方式：电控扫描，无需机械式扫描，扫描精准、快捷主要参数产品测试数据测风激光雷达风速认定数据测风激光雷达风向认定数据应用领域风电场场控、风资源评估、风机功率曲线测试等。
激光雷达海上测风方案
WINDCUBE激光雷达海上测风方案北京莱维塞尔科技有限公司二零一二年目录引言 (2)第一部分海上单桩平台介绍 (3)一、桩体结构形式： (3)二、桩体俯视图 (4)三、桩体加工与运输 (4)四、施工介绍 (5)1、组织结构 (5)2、施工流程 (5)第二部分海上激光雷达介绍 (9)一、WINDCUBE激光雷达基本介绍 (9)1、主要特点： (9)2、应用领域： (11)3、评估认证： (11)4、Windcube 发展演变： (13)二、系统技术及性能指标 (14)2.1WINDCUBE技术原理 (14)2.2WINDCUBE系统组成 (14)2.3数据处理软件描述1、软件界面 (16)2.4系统技术指标 (20)四、可选模块说明 (20)1、WINDCUBE双供电系统-M50VP（甲醇燃料+太阳能板） (20)2、3G/SAT无线传输 (20)3、WINDCUBE CFD软件工程 (21)4、GPS安全跟踪系统 (23)5、PTU 传感器 (23)五、系统维护 (23)第三部分、成功应用案例及安装现场 (24)一、经典应用案例 (24)二、安装现场 (25)1、在孤岛上——悬崖边 (25)2、在灯塔上——Nass&Wind - Lighthouse (25)3、在大的海上平台上: RES ltd – platform (Race bank round 2) (26)4、在小的海上平台上-中国国电集团项目 (26)引言Windcbue海上激光雷达测风系统采用特殊设计的单桩独柱平台，加上轻巧便携的Windcube 激光雷达测风装置，配套供电系统、防雷系统、航标装置及辅助测风系统，形成一套完备的新型式海上测风体系。
与传统式海上测风塔相比，激光雷达海上测风系统特点如下：结构简单、安装方便施工周期短：传统式海上测风塔制作及施工复杂，时间基本上需要6个月左右；而单桩基础设计、制作及施工简单，施工面积小，只需要1个月就可以完成，激光雷达安装只需2天，因此，使工期大大缩短。
风电场机组激光雷达测风仪技术要求测量场地地形评估测风塔安装规范湍流规格化功率曲线方法
附录A（规范性附录）激光雷达测风仪技术要求A.1激光雷达测风仪技术性能基本要求A.2检验要求激光雷达测风仪应定期进行检验，检定周期、检验方式应根据出厂说明进行。
.B附录（规范性附录）测量场地地形评估所列的条件。
不进行标定的测量场地，应满足表8.1 无需标定场地条件表Bl8.1 所示注释：1.定义的扇区如图选择与扇区地形最吻合，并通过塔架基础的平面，该平面与实际地形之间的最大倾2.8.2 所示，倾角计算公式为：角，以及偏离平面的最大偏差，定义和计算方法如图z?Z）（最大倾角B∙L）max（d∣|）地形偏离平面最大偏差（B.2）?max（Z?Z,。
），定义和计算3.塔架基础与扇区内任一点连接线的最大倾角，倾角计算见公式（B.1B.2与扇区地形最吻合的连接线的最大倾角和地形最大偏差图图B.3通过塔架与扇区地形任一点连接平面与水平面之间的最大倾角附录C（规范性附录）方法如图B.3所示。
测风塔安装规范C.1一般规定CLl选用的测风装置应经过标定，且在有效期内。
C1.2测风装置的安装应牢固、稳定。
C.2顶部风速计的安装C2.1应将风速计安装在测风塔顶端1.5m以上，应通过一个垂直圆管固定风速计，圆管顶端以下1.5m段的直径应不大于风速计，圆管垂直度不大于2o。
C2.2风速计以下1.5m内不能存在其他气流干扰物，其他测量仪器应至少在风速计4m以下。
测风塔的任何部分都不能超过以风速计为顶端、以11倍测风塔侧边长度为底部直径的锥面外。
顶部风速计安装示意见图C.1。
顶部风速计安装示意图C.1侧边风速计的安装C.3:两风速计应等25d,测风仪应安装在横杆20d以上，推荐dC3.1侧边风速计应成使用，若横杆直径为。
2.5m且不大于4.0m高，相互间隙不小于内不能存在其他测量装置且风速计风速计以下应通过一个垂直圆管将风速计固定在横杆上，1.5mC3∙24m以下不能存在其他测量仪器。
11除风速计垂直杆及水平横杆外，测风塔其他部分不能超过以两风速计水平中心点为顶端的、以C3.3。
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NOAA HRDL (A SOPA Lidar)
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直接探测激光测风雷达结构
发射机:必须是单频激光器（稳频窄线宽） ，如倍频532nm、三倍 频355nm或四倍频266nm ; 接收机：如果测量精度为1m/s，则频率分辨率=2v/=5.6MHz （对于532nm)
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激光雷达的后向散射信号
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VAD 扫描矢量风场反演
径向速度vR可以由v、u和w组成，纬度风速分量usincos,子午线速 度分量vcos cos,垂直速度分量wsin, -方位角，向北顺时针， 仰角。
对于VAD扫描：仰角是常量，方位角是变量，径向速度vR是测 量量，(u, v, w)满足下式：
上式还可表示为：
对流层
2-16 0.5
平流层
16-30 2.0
低对流层
0-5 5
高对流层
5-16 10
平流层
16-20 10
风分布数
风分布间距 时间采样 测量精度 水平积分区域
/hour
km hour m/s km 1.5
30,000
50 3 1.5 50 2 5
100
>500 12 5 50 5
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激光雷达测风技术发展趋势
aerosol signal molecular signal transmitted signal
sunlight
L
Wavelength
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双F-P标准具多普勒检测
I I IL T() Backscattered signal
Laser
I IL 1 d L I 0 T ' ( L )
Nd:YAG
倍频 Nd:YAG 可见光
硅探测器 Mie Rayleigh
优点
宽带探测
可调谐本振
最佳的 激光技术 Mie
分子散射 Mie Rayleigh
探测对象
Mie
Mie
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激光多普勒测风雷达的分类
1. 直探式（相对强度检测）
边缘技术 单边缘、双边缘 条纹技术 环形条纹、直列条纹 分子吸收技术 I2分子吸收
– 速度方位显示扫描技术(Velocity-azimuth-display, VAD)，即激
光雷达光束以固定倾角进行圆锥形扫描 – 多普勒光束定向摆动扫描技术(Doppler-Beam-Swinging，
DBS)，即点激光雷达光束垂直指向并向东倾斜和向北倾斜
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多普勒激光雷达扫描技术：在底部，VAD扫描；在上部，DRS扫描
a：补偿量，b:振幅，max 周相位移动
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DBS 扫描矢量风场反演
VRZ, VRE, VRN 分别是径向速度垂直、东向倾斜和北向倾斜分量
-天顶角
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改进型DBS扫描矢量风场反演
激光雷达波束分别是垂直向、向北、向东、向南和向西
VR > 0, w > 0, u > 0, v > 0
卷云
vd v , 2 vd - - - 多普勒频率
时间 t 距离r
发射激光 脉冲
- - - 激光波长
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后向散射信号的频谱
• 分子散射谱宽度～3.0GHz
• 气溶胶散射谱宽度～发射激光谱宽度（约90MHz）
Zero Doppler shift
Doppler shift
Signal Intensity
光强变化量频移径向速度；
光强空间分布频移径向速度；
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原子吸收线：频率分析器
光强变化率与风速和温度变化曲线
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单边缘滤波器：频率分析器
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双边缘滤波器：频率分析器
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条纹图像：频率分析器
高分辨率光干涉仪产生空间辐照度分布，亦即代表接收面信号光谱 平均频率利用其中一个图样估计，即锁定峰值照度，计算照度分布 的一阶统计量，类似于被动干涉仪，利用同心环直径确定频移
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MAC地基测风激光雷达
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率
指 标 355nm, 532nm 400mJ 10Hz
望远镜：口径 扫描方式
测量范围 距离分辨率
50cm 经纬仪平台
0.5~20km 0.25km
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法国OHP观测站
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率 望远镜：口径 FOV
原子共振吸收频率为： 根据动量守恒和能量守恒定理：
多普勒频移为： 原子吸收截面由于多普勒频移而展宽：
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对于原子自发辐射有：
根据动量守恒和能量守恒定理：
多普勒频移： 自发辐射光子与紊乱光子之间的多普勒频移：
在后向散射情况下，其多普勒频移：
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相干探测测风技术
原理：假设本振光频率fLO、激光脉冲发射频率f0=fLO+foffset、信号回
35
1.1 m 355 nm 13 W@100 Hz -1~26.5km (可扩 展) 1 km (可调)
水平积分长度
信号处理距离
3.5km (可调)
50 km
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欧洲航天局的ALADIN计划
ALADIN( Atmospheric Laser Doppler Lidar IN strument )
01 L
02
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Mie散射和分子散射速度测量
Etalon 1 Etalon 2 Mie signal
中心 10
中心 20
双通道F-P 标准具
Rayleigh signal
Frequency
Mie signal
中心 10
Rayleigh signal
中心 20
Etalon 1
Intensity
0 L
T1() I01
Intensity
T2()
Backscattered signal IL I02 Laser
d
1 I0
I 01 I L I 02 I L 1 I 01 I 02 T1 ' ( L ) T2 ' ( L ) I 0 T ' ( L )
2. 相干式（直接频率检测FFT）
外差技术 本振光与信号光 自差技术
多频率发射光本身
超外差技术 本振光与多频率信号光 航天学院
大气分子或气溶胶散射产生的多普勒频移
根据动量守恒和能量守恒定理：
大气分子或气溶胶散射产生的多普勒频移：
对于前向散射 对于后向散射
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原子吸收产生的多普勒频移
Etalon 2
双通道F -P 标准具
Frequency
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NASA/Goddard车载测风激光雷达
参 数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率 望远镜：口径 FOV 扫描方式 测量范围 距离分辨率
指 标 355nm 70mJ 50Hz 45cm 0.2mrad XY双轴半空间 1.8~35km 0.25km@<3km 1km@>3km
大气粒子
信号 多普勒频移 发射激光 接收信号 频率
风矢量
接收信号
卷云
谱分析仪
光子探测器
发射激光
时间
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时间－空间的对应关系
ct ct r , r 2 2 t - - - 脉冲宽度或采样宽度 t - - - 测量周期
信号 多普勒频移 发射激光 接收信号
d
频率
接收信号 强度
t r
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矢量风速反演方法
1. 矢量风速V (u, v, w) 是少需要三个独立的径向速度估计 2. 理想情况下：矢量风速应该在空间某一点同时测量出它的三个方 向的速度值，即至少需要三部激光雷达系统 3. 实际情况下：确定风场的水平方向，利用激光雷达的扫描技术确 定风速的矢量。常用以下两种扫描技术：
2. 主振荡和功率放大激光器
– MOPA is master oscillator and power amplifier. 3. 对于相干探测，发射机必须有非常窄的带宽（如1MHz）
4. 对于脉冲发射，必须有比较长的脉冲宽度，以便改善非常有限的
频谱宽度。
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NOAA mini-MOPA CO2 Coherent Lidar
4. 优势选择适当的波长，可以同时利用分子散射和气溶胶散射。
5. 长波长可以减小分子散射，一般相干激光测风雷达的波长选择在 1~11m
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MOPA 与 SOPA 发射机比较
1. 种子注入再生放大和功率放大激光器 – “ SOPA is injection-seeded slave oscillator and power amplifier” – 种子激光是低功率的单频连续激光器 – 再生放大器是高功率调Q脉冲激光器
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相干激光测风雷达结构
Master oscillator (MO)是稳定单频连续激光器。移频器(AO-M)使发射 光束产生固定频偏。后向散射信号与MO混频产生差频信号，其中包 含散射体多普勒效应的径向速度。
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相干激光测风雷达波长选择
1. 原则上，相干激光测风雷达可以选择任意波长，只要其不在共振 吸收峰上。 2. 气溶胶（米氏散射）散射与分子散射（瑞利散射）相比，在频谱 分析上更有优势。 3. 分子散射截面与-4成比例，气溶胶散射与-2或+1成比例。
激光雷达测风技Biblioteka （3）航天学院大气风场数据获得的手段
1. 地球表面观测系统
地面、海面、风散射仪等，只能提供表面大气层的数据