风廓线雷达与激光测风雷达
风采三维激光测风雷达工作原理及维护
风采三维激光测风雷达工作原理及维护摘要：风采三维激光测风雷达用于探测机场上空及飞机起降通道低空风场信息，为飞机起降提供短时大气风场信息，以保障飞行安全。
本文详细介绍系统的工作原理、产品组成、主要性能和维护方法，为用户日常管理维护提供经验与借鉴。
关键词：风场，激光测风雷达，性能Style three-dimensional laser wind measurement radar working principle and maintenanceQishan（Xinjiang Air Traffic Control Meteorological Center, Urumqi 830000）Abstract:Fengcai 3D laser wind measurement radar is used to detect the low-altitude wind field information over the airport and the aircraft take-off and landing channel, and provide short-term atmospheric wind field information for aircraft take-off and landing to ensure flight safety. This article details the working principle, product composition, main performance and maintenance methods of the system, and provides experience and reference for users' daily management and maintenance.Keywords: wind field, laser wind radar, performance0引言近年来，我国民航飞机架数和航班量呈爆炸式增长，机场航班密集时段，起降架次时间可达分钟级，且飞机通常进行高速起降，因此对激光测风雷达的实时性要求很高，根据实际需求，激光测风雷达实现了较高的数据刷新率，能够对机场上空的风场变化进行实时监测及预报。
低空风切变对民航飞行安全的影响与预防对策
低空风切变对民航飞行安全的影响与预防对策摘要：低空风切变影响飞机的起降阶段，是国际航空界公认的“隐形杀手”。
由于低空风切变出现的时间短、空间小，速度变化太快，因此不易观察和预报。
低空风切变现象是压倒性的，减少受此影响的最好办法就是避开它。
准确合理地确定是否出现低空风切变，从而保证航空器安全飞行是航空人的主要责任。
本文以低空风切变为研究对象，首先阐述定义，其次介绍低空风切变的种类，再次详细论述低空风切变对民航飞行安全的影响，最后针对性地提出预防低空风切变的对策，以期促进我国民航业的安全平稳运行。
关键词：低空风切变；民航；飞行安全；影响；对策引言低空风切变预警在我国民航领域仍处于起步阶段，设备技术复杂，投资成本高昂。
目前检测中低空风切变的最主要方法包括，风廓线雷达、多普勒气象雷达、激光测风雷达，以及中低空风切变监视和预警系统。
但各种仪器也有其各自的优势与局限，低空风切变的准确监测必须整合不同的仪器和系统，建立一套独立的监测体系。
根据以上情况，我们着重研究各种传统仪器的检测方法和应用，评估机场出现低空风切变的可能，为管理、飞行、机场以及其他机构提供相关服务。
1.低空风切变的定义风切变是一类大气现象, 是指风速矢量或其分量沿垂直方向或某一水平方向的变化。
它可能垂直或水平,可能出现在低空,也能出现在较高处。
通常出现在离地面六百米高度以下的，风的水平或垂直切变现象，称为低空风切变。
低空风切变的特点是转换时间短、航程短、强度高，因此在这种环境下飞行时，飞行速度会发生剧烈变化，飞行速度的变化会导致升力发生变化。
升力变化，则会导致飞机的飞行高度发生变化。
例如，如果飞行器的飞行轨迹刚刚经过一个微下冲气流，飞行器可能会突然异常坠落，偏离原来的轨道，可能由于高度低而造成危险。
2.低空风切变的种类及对飞行的危害2.1 顺风切变当飞机顺着飞行方向顺风增大或逆风减小，从大逆风区进入小逆风区，从逆风区进入顺风区，都属于顺风切变。
风廓线雷达与及激光测风雷达
波束进行控制。②从模块箱接收观测信号,并检测出信号的 相位。③在收发装置中还产生这个系统的时间信号,用于系 统的时序控制。
• 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送来的数据,以 图形方式将处理后的产品显示出来,同时保存数据文件
定位精度
±0.1度
位置分辨率 ±0.01度
位置重复率 ±0.05度
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激光测风雷达-分类
探测方式： • 相干探测激光雷达 • 非相干探测（直接探测）激光雷达。
激光测风雷达-分类
• 直接式常以空气分子的瑞丽散射为基础，一般选择蓝绿光或紫外等短 波长激光作为发射源，才能得到比较强的瑞丽散射气象回波信号，经 过单边缘滤波、双边缘滤波或条纹检测手段，通过功率谱分析方法， 间接提取多普勒频率信息。
• 2007年，中国科学技术大学研发了一台波长为355nm的车 载测风激光雷达系统。
• 当前，中国兵器209所在传统扫描方式的基础上，研发了 一种采用二维扫描工作方式的小型三维测风激光雷达。
WindTrace相干激光多普勒测风雷达
技术参数
技术指标
脉冲重复频率 500Hz ±10Hz
脉冲能量
2mJ
风廓线雷达-原理探究
• 实际仪器设计为三波束或五波束 轮流发送
• 通过依次测量1个天顶垂直波束 指向和东、南、西、北4个倾斜 波束指向上各个距离库的多普勒 速度, 在大气水平均匀的条件下, 用同一高度上的5个波束指向的 多普勒速 度测量值联合求解出 大气3维风场。
02 激光测风雷达
激光测风雷达-概念探测
北京城市复杂下垫面条件下三种边界层测风资料对比
北京城市复杂下垫面条件下三种 边界层测风资料对比
朱 苹１，王 成 刚１，严 家 德１，李 炬２
（１．南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 ２１００４４； ２．中国气象局北京城市气象研究所，北京 １０００８９）
摘 要：利用 ２０１６年 ８月 ２８日至 ９月 ２日北京市朝阳区气象观测站激光测风雷达、风廓线雷达和 ＧＰＳ探空仪同步观测数据，对比分析三种测风仪在城市复杂下垫面条件下边界层不同高度处的测风 性能。结果表明：（１）激光测风雷达与 ＧＰＳ探空仪测风结果具有较好一致性，风速、风向的相关系数 分别为 ０．６６～０．９６、０．７１～０．９８，其中风速平均绝对误差小于 ２ｍ·ｓ－１，风向误差在 ２０°之内。（２）风 廓线雷达资料的精度相对较差，与 ＧＰＳ探空仪的风速、风向相关系数分别为 ０．６６～０．９１、０．５５～ ０．８６，误差随高度呈现先减后增的垂直分布特征。其中，４００～１０００ｍ高度范围两种资料的吻合度最 高，相关系数在 ０．８０以上，为仪器最佳测量范围；此外，风廓线雷达的风速整体高于 ＧＰＳ探空仪，两 者最大偏差可达 ４ｍ·ｓ－１左右，风向平均误差最大可达 ３０°。（３）ＧＰＳ探空仪的工作方式及测量结果 也存在不足，一是观测频次较低，难以详细、精准地描述边界层风场结构的变化过程；二是当存在垂直 风切变时，探测初期具有明显滞后性，由当前状态转变为真实的风场示踪物需要一定时间。 关键词：北京城市；复杂下垫面；边界层测风；资料对比 文章编号：１００６－７６３９（２０１８）０５－０７９４－０８ ＤＯＩ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０１８）－０５－０７９４ 中图分类号：Ｐ４１２．１６ 文献标志码：Ａ
为了获取更高精度、更精细、更全面的城市边界 层风场数据，目前应用的新型测风仪器主要有：（１） ＧＰＳ探空仪。测量系统以气球为示踪物，利用 ＧＰＳ 卫星观测网或 Ｌ波段雷达确定气球位置，进而获取
风廓线雷达——一种新型的测风雷达
从 年 10 月 刀 日 本文于 1望 收封
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时 通 常 要 有 一 定 的假 设 即 认 为 大 气 变 化 在
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风廓线雷 达 与常 规的 天 气雷达 一 样 也 包
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提要
一种新型 的 测 风雷达
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本 文介绍 了 风廓线雷 达的侧风 原理及这种 礴风方 式对 雷达设 备的姿 求 同时 也筒 要 介 绍 了
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2020年2月13日西宁曹家堡国际机场大风风切变天气个例分析
2020年 2月 13日西宁曹家堡国际机场大风风切变天气个例分析摘要：2020年2月13日，西宁曹家堡机场出现大风风切变、吹沙等复杂天气，对本场的航空器运行造成了一定的影响。
本文从天气形势、实况天气过程、激光测风雷达的应用及服务保障情况等方面进行了分析，此次大风风切变天气为动量下传大风导致，关注大风风切变、颠簸天气，以及伴随的吹沙和低能见度天气，关注风向的转变，风切变的位置高度，以及高空颠簸层的位置。
本次服务过程预警服务工作靠前，服务及时细致，为管制部门提供了准确的气象信息。
关键词：大风风切变激光雷达航空气象服务保障1天气形势及主要影响系统1.1 环流背景2020年2月13日至15日，受500hPa高空槽东移及地面强冷空气影响，我国自西向东出现了一次寒潮天气过程，降温幅度大，伴随有雨雪及大风天气。
2月13日08时500hPa（图1a）显示，西宁机场受西北气流影响，有明显冷平流。
700hPa高空槽位置较500hPa偏东，西宁机场上空有冷舌影响。
图1 2020年2月13日08时（a）500hPa高度场/温度场(b) 700hPa高度场/温度场1.2 地面形势由2月13日08时地面图（图2）分析发现，青海南部地区有一中心值为1030hpa的冷高压存在，青海湖以西受其影响为一致大西风；蒙古高原有一中心值为1050hPa的冷高压，逐渐东移南压，其冷空气前沿已达河西走廊，预计将沿祁连山北麓南下在兰州堆积后于13日傍晚前后经由河湟谷地倒灌影响西宁机场。
同时13日高空风速较大，且天气晴朗，日照充足，易出现不稳定层结从而导致大西风动量下传。
图2 2020年2月13日08时地面气压场2实况天气过程2.1天气实况对西宁机场11号基准观测点的自动观测系统风数据进行统计，2月13日08时至2月14日08时10分钟平均风向风速变化图（图3a）并选取了13日14时至24时的10分钟和瞬时风速制作风速变化图（图3b），从图表及实况数据中分析，2月13日，14：43分西宁机场大风天气瞬时风速19m/s，14时45分出现高吹沙，能见度3000米,15：55能见度降至1500米,17时16分能见度转好至2600米，17：31至17：49已经由西风转变为稳定的东风110°左右，17：54能见度降至2000米，18：11大风瞬时风速极值24m/s，18：28能见度降至1500米，18：47能见度2300米，18：52东风平均风速达16m/s，其后东风风速一直维持在较大水平，19：06能见度好转至6000米，19：54高吹沙天气解除，23时风速逐渐减小。
激光测风雷达介绍
激光测风雷达缺点：
1、产品成熟度不及测风塔，测风精确度有待进一步认证； 2、设备较为昂贵（国产60万左右，进口150万左右）； 3、后期使用成本较高（每年调教一次约1~2万）； 4、户外测风时存在被盗风险；
激光测风雷达使用场景：
1、测风塔代表性验证 在复杂地形区域，测风塔代表性难以满足风资源评估
注意：
需要注意的是，考虑到雷达测风大小风月和 时间一般不足一年的情况，及不同型号设备的环 境适应性问题，复杂山地雷达设备的应用现在仍 处于辅助测风阶段，雷达测风在复杂地形情况下 的不确定度有待进一步细化研究。
THANKS
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
激光雷达的灵活性、便携性，可更快速、有效对风机 的功率曲线进行确定或验证，对在实际运行环境下风机的 运行表现分析有重要意义。
激光测风雷达供应商：
1、北京
型号：Windcube V2 制造商：法国 价格：150万左右 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：685*745*685mm，产品重量约66KG
激光测风雷达供应商：
型号：WindPrint V300 制造商：青岛 价格：80万左右 产品参数：产品测量精度（0.1m/s）、采样频率（1s）， 测量范围为40-300m； 产品尺寸：产品重量约50KG
激光测风雷达简介
激光测风雷达简介:
激光测风雷达是用来测量高空风向、风速的雷 达。激光雷达测风作为新型的移动测风技术，利 用激光的多普勒频移原理，通过测量光波反射在 空气中遇到风运动的气溶胶粒子所产生的频率变 化得到风速、风向信息，从而计算出相应高度的 矢测量性能强大，满足40m~300m，12个高度层风参数据 测量 2、激光雷达数据获取方便灵活，可满足各种地形项目 数据测试（体积约560*570*550mm，重量约50kg）； 2、激光雷达数据更丰富，可同时测得不同高度的水平、 垂直风速、风向数据，入流角等；
风廓线雷达
信号处理：相参累积，非相参累积，傅里叶 分析，谱数据处理等
数据处理\显示系统：数据处理主要是进行矢 量合成, 得到每个距离单元上的合成风矢量, 并以一定方式显示在CRT上， 微机即可。
风廓线雷达的特点
（1）获取资料的时间和空间分辨率高，风廓线雷 达的测量具有很高的时间和空间分辨率。从此意义 上讲风廓线雷达的测量具有连续和实时的特点。
指数产生相应的涨落会使波束的电磁信号被散射，
其后向散射将产生一定功率的回波信号，风廓线仪 就是通过接收处理这些回波信号来获取风场的信息。
实际仪器设计为三波束或五波束轮流发送，测出沿各波 束发射方向的径向风速，就可合成垂直运动速度、水平 风向和风速。就如图所示的为三波束，一束向上，两束 分别以α向东和向北倾斜。雷达在器探测周期信号束会 由垂直转向东，再转向北，最后又回到垂直位置，将会 得到不同方向的三组多普勒要素，根据矢量合成原理， 最终得到代表站上空的风向和风速。
（2）获取资料的种类多，风廓线雷达能够提供多 种气象信息。风廓线雷达在提供详细的风场结构及 其随时间演变的同时，还能够提供大量的可以用于 大气科学研究和天气预报的有用信息。特别是，常 规探测手段很难获取这些资料。
（3）遥感方式，风廓线雷达属于遥感设备，特别 适合需要无球探测的场合，如机场的测风应用。
(2)模块箱:内部有24 个模块分别控制24 组天线。
(3) 收发装置: ①向模块箱里的激励单元传送发射信 号,并对各波束进行控制。②从模块箱接收观测信号, 并检测出信号的相位。③在收发装置中还产生这个 系统的时间信号,用于系统的时序控制。
(4) 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送 来的数据,以图形方式将处理后的产品显示出来,同 时保存数据文件
激光雷达信号与数据处理(6)
信号处理（以激光测风雷达为例） 信号处理（以激光测风雷达为例）
航天学院
信号处理的目的和要求
1. 激光雷达气象回波信号特点： – 夹杂在各种杂波中的强度很弱、脉动很强、语宽较宽的随机信号。这 种信号的特点决定了雷达信号处理是从各种杂波中提取微弱有用信号 ，并使有用信号具有统计平均意义的过程。 2. 提高微弱信号检测能力、减小脉动和进行质量控制。 3. 主要措施分别是相干积分、谱平均，以及噪声抑制与杂波分离。 – 相干积分又称为相干积累或相参积累。相干积分在时域进行，在信号 保持相干的条件下，对一定数量的脉冲回波信号进行平均处理，所以 相干积分是时域平均过程。 – 相干积分的主要目的是为了提高信噪比，使信号电平高于平均噪声电 平，从而使雷达接收机能够检测到有用的微弱信号。 航天学院
e
= Y (ω )eiωt
其小Y(ω)是经过M次相干积分后输出信号的复振幅。 设H(ω)为相干积分器的传递函数，由相干积分器的输入与输出 关系，可以得到相干积分器的传递函数H(ω)为
Y (ω ) = H (ω ) • X (ω ) H (ω ) = 1 M
M −1 k =0
∑e ω
i kT
=e
i ( M −1)ωT 2
航天学院
2. 谱变换 –如果只提取回波强度信息，则无需对回波信号进行谱分析和谱变 换。 –为了在获取回波强度信息的同时得到速度信息，需要对相干积分 后的时域信号进行谱分析。通过谱变换将时域信号变为频域信号 –在频域对信号进行研究．不但可以得到回波强度，还可以得到速 度以及速度谱宽。 –激光测风雷达通常采用快速博里叶变换(FFT)方法对相干积分后 得到的数据进行频率变换。 –样本数一般取2n个(n为整数)。 –用于FFT的数据个数称为谱变换点数(简称谱点数)，记为NSP (number of spectral points)。
《风廓线雷达原理》课件
03
特点
接收系统的性能直接影响雷达的灵敏度和抗干扰能力， 因此需要具备高灵敏度和低噪声水平。
天线系统
功能
定向发射和接收电磁波信号。
组成
包括天线阵列和伺服系统等部件，用于控制天线 的方向和扫描范围。
特点
天线系统的性能直接影响雷达的扫描速度和覆盖 范围，因此需要具备高精度和快速响应能力。
信号处理系统
谢谢聆听
将雷达部署至不同地点，实地测量并与标准气 象观测数据进行比较，评估雷达性能。
实验室测试
在特定条件下，模拟雷达工作环境，进行 性能检测。
B
C
长期监测
长时间连续运行雷达，观察其性能变化，评 估其稳定性和可靠性。
与其他雷达比较
将新型雷达与现有雷达进行比较，评估其在 性能、精度和效率上的优势。
D
雷达性能评估方法
风廓线雷达技术发展趋势
探测精度提升
随着技术的不断进步，风廓线雷 达的探测精度将得到显著提高， 能够更准确地测量风速、风向等 气象参数。
多普勒频移技术应
用
多普勒频移技术在风廓线雷达中 的应用将进一步拓展，能够提供 更丰富的气象信息，如湍流、风 切变等。
智能化和自动化
风廓线雷达将朝着智能化和自动 化的方向发展，能够自动识别和 跟踪目标，减轻人工操作的负担 。
风向反演算法
根据雷达回波信号的相位差等信息，反演出 风向信息。
数据后处理
数据融合
将多个雷达站的数据进行融合，提高数据的准确性和 可靠性。
数据可视化
将处理后的数据以图表、图像等形式进行可视化展示 。
数据分析
对处理后的数据进行统计分析，提取有用的气象信息 。
04 风廓线雷达性能评估
风廓线雷达原理
因为风廓线雷达同 时要完成测速与定 位功能，所以风廓 线雷达是是无线电 测距与多普勒测速 的结合。
NO.2
国内外发展及应用
风廓线雷达诞生于20世纪80年代，近三十年已经在国 际气象组织得到认可和广泛使用。美国于1992年开始在美国 建成包括35部风廓线雷达的观测网，并进入业务运行，多年 来的运行结果表明，风廓线雷达网资料能满足观测精度的要 求，他的时空分辨率超过任何高空风测量系统。NOAA（美 国国家海洋和大气管理组织）在对风廓线雷达网进行评估时 指出: 6分钟的风廓线资料能显示出锋面，短波波动，气旋 和重力波等系统连续详实的演变过程，资料通话后，明显地 改善了3-6h临近数值预报结果，美国还计划研制是用于热带 海洋地区的太阳能自动风廓线系统。日本与2003年6月建成 包含31部风廓线来打的气象业务观测网，观测资料在多个领 域地得到广泛应用，芬兰，德国，瑞士，英国，法国都建早 有自主的风廓线雷达网
个波束方向发射脉冲进行探测。完成一个波束方向的探测之后，将波束切换到下一个 方向，进行下一个波束方向的探测，直到完成所有波束方向的探测，便完成一个探测 周期，再接着进行下一个周期的探测。因为技术条件的限制，抛物面天线雷达只能采 用单波束的工作方式。
多波束工作方式：在多波束工作方式下，相控阵风廓线雷达可以近乎同时完成多个
4.分类
NO.5
显示的图形产品
风廓线仪的数据处理由一台高性能的PC机来实现，它与信号处理器通过DMA相 联接，实时采集信号处理器输出的各波束射向上每个距离库的信号功率谱密度分布 ，经处理估算出各高度上水平风向﹑风速﹑垂直运动速度和各高度上cn2值，将处 理结果形成各类图形产品，建立数据和图形产品库，通过网络或其他通信方式，向 外传送观测数据和图形产品。
讲稿-风廓线雷达简介
风廓线雷达发射的电磁波在大气中传播过程
中，由于大气折射率的空间不均匀分布而产生散
射，其后向散射能量被风廓线雷达所接收，能实
时提供大气的三维风场信息。
增加无线电声学探测系统（RASS），与微波
辐射仪或GPS/MET水汽监测系统配合，可实现对大
2 风廓线雷达探测原理
2.1 晴空的电磁波散射
1. Bragg 散射 —— 折射率空间分布周期性的变化引起对相
同波长电磁波造成散射。大气中的湍流活动造成折射率 的空间涨落，也称作湍流散射； 2. Fresnal 散射 —— 折射率梯度很大的水平层状结构上对 电磁波的反射; 3. Thomson 散射 —— 电离层中的大量自由电子对入射电磁 波的散射。
1270-1375MHz
高对流层 风廓线雷达
最大探测高度:12～16km 起始高度:150m 高度分辨率:120m
边界层大气风场 观测
晴空局地空域气 流监测 中尺度灾害性天 气监测 边界层数值预报
低对流层 风廓线雷达
最大探测高度:6～8km 起始高度:300m 高度分辨率:240m
边界层 风廓线雷达
理论研究和实际使用的结果都表明NOAA风廓线雷 达网对于天气预报具有很重要的价值，尤其是监 测墨西哥湾水汽输送过程中的低空急流。NOAA风 廓线雷达网的数据对于预测这种低空急流引起的 夜间雷暴非常重要。
• 日本
WINDAS(31部1.3G风廓线 雷达)，间隔130公里。 经过台站级处理的10分 钟平均的风数据传输到 风廓线雷达控制中心， 通过进一步的一致性检 验后用于数值天气预报。 WINDAS用于预报台风、 梅雨和中纬度低压引起 的强降水。
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。
风廓线雷达原理ppt课件
.
13
风廓线探测高度以及工作频率图如下
.
14
风廓线仪系统结构框图
风廓线仪主要由五部分组成:天馈﹑发射/接收机﹑信号处理器﹑数据处理及监控分 机。图中虚线部分为声发射器，与风廓线仪联合使用，构成无线电—声探测系统。
.
15
NO.4
风廓线雷达的分类
根据天线制式的Βιβλιοθήκη 同，风廓线雷达可分为两大类：一类是采用相控阵天线 的相控阵风廓线雷达；另一类是采用抛物面天线的风廓线雷达。
国内外发展及应用
风廓线雷达诞生于20世纪80年代，近三十年已经在国
际气象组织得到认可和广泛使用。美国于1992年开始在美国
建成包括35部风廓线雷达的观测网，并进入业务运行，多年
来的运行结果表明，风廓线雷达网资料能满足观测精度的要
求，他的时空分辨率超过任何高空风测量系统。NOAA（美
国国家海洋和大气管理组织）在对风廓线雷达网进行评估时
有自主的风廓线雷达网
.
3
▪LO美GO国
➢ NPN(35部对流层)，间隔200公里，每个站 配有一套GPS水汽监测系统。CAP(60多部 各种型号)，由35个部门建设的风廓线雷达 组成。
➢ 探测数据和设备的状态信息一起被发送到位 于Bloulder的风廓线雷达控制中（PCC）。 经过数据处理和质量控制，每小时平均的风 数据和温度数据经过计算后发送给NOAA风 廓线雷达网（NPN）的用户。
单波束工作方式：风廓线雷达在探测时，在某一时刻只有一个波束，雷达仅沿这一
个波束方向发射脉冲进行探测。完成一个波束方向的探测之后，将波束切换到下一个 方向，进行下一个波束方向的探测，直到完成所有波束方向的探测，便完成一个探测 周期，再接着进行下一个周期的探测。因为技术条件的限制，抛物面天线雷达只能采 用单波束的工作方式。
地基遥感大气温湿风垂直廓线观测方法综述
地基遥感大气温湿风垂直廓线观测方法综述王志诚;张雪芬;茆佳佳;季承荔【摘要】大气温度、湿度和风作为大气热力和动力状态的基本参数被广泛应用于数值天气预报和气候变化模型中.文章以温度、湿度和风3个要素的测量为研究对象,综合讨论了目前遥感测量中的常用方法,重点分析了3类地基遥感观测系统(风廓线仪、微波辐射计、激光雷达)的观测方法、发展现状及和其他同类设备相比的技术优势和问题,并对如何提高大气垂直廓线的测量精度做出了展望.【期刊名称】《气象水文海洋仪器》【年(卷),期】2018(035)002【总页数】8页(P109-116)【关键词】地基遥感;综合观测;垂直廓线【作者】王志诚;张雪芬;茆佳佳;季承荔【作者单位】成都信息工程大学,成都610000;中国气象局气象探测中心,北京100081;中国气象局气象探测中心,北京100081;中国气象局气象探测中心,北京100081【正文语种】中文【中图分类】P4120 引言气温、湿度和风是描述大气热力和动力状态的基本参数，实时探测大气不同高度层温度、水汽和风的变化，对于数值天气预报和气候变化研究以及各种气象保障工作都是必不可少的[1]。
在高空观测中，无线电探空是业务上最为常用的观测方式之一，这种探测技术的应用构筑了探空(大气廓线)网，在大气科学、天气预报中发挥着重要的作用。
但是其时空密度不足、无法探测大气要素的短期变化制约着精细化预报和长时间气候观测的准确度。
目前灾害性天气预报准确率平均不到30%[2]，天气预报精细化程度不高，本质上在于对中小尺度天气发生、发展的规律和机理掌握的不够[3]，要想充分探究其内部动力和热力过程的演变，离不开精确连续的大气廓线探测[4，5]。
随着无线电及遥感技术的不断发展，国内外涌现出各种自动化垂直观测设备，可实现大气廓线的实时连续探测。
随着大气廓线反演方法的不断完善，反演精度也在不断提高。
文章从主动遥感观测、被动遥感观测两个方面综述了大气温湿风垂直廓线的探测方法、研究进展情况。
激光雷达测风技术.完整版PPT文档课件
大气风场数据获得的手段
1. 地球外表观测系统 2. 地面、海面、风散射仪等，只能提供外表大气层的数据 3. 高空单层大气观测系统 4. 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 5. 高空多层大气观测系统 6. 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
1.
单掺杂2m激光器〔室温，低能量〕
2.
Tm: YAG 〔钇铝石榴石〕
3.
Tm: LuAG 〔镥铝石榴石〕
4.
双掺杂2m激光器〔低温，高能量〕
5.
Tm, Ho: YAG〔钇铝石榴石〕
6.
Tm, Ho: YLF〔氟化钇锂〕激光器
7.
Tm, Ho: GdVO4〔钒酸钆)
双F-P标准具多普勒检测
Mie散射和分子散射速度测量
中心ν10 中心ν20 双通道F-P标准具
中心ν10 中心ν20 双通道F -P标准具
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
上式还可表示为：
a：补偿量，b:振幅，max 周相位移动
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
γ-天顶角
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
相干激光测风雷达结构
民航机场风切变探测与预警的三维激光测风雷达分析
民航机场风切变探测与预警的三维激光测风雷达分析作者：蔡嘉晨来源：《科学与信息化》2020年第05期摘要激光雷达在民航机场风切变探测与预警领域中应用十分广泛，在多年的研究与发展中，激光雷达测风技术也有所发展，三维激光测风雷达的出现，在很大程度上解决了传统测风雷达的弊端，取得了良好的效益。
自2016年以来，已有多部激光测风雷达在兰州中川机场完成试验验证，取得了丰硕的应用成果。
基于此，本文首先对三维激光测风雷达系统进行介绍，进而提出三维激光测风雷达在民航机场风切变探测与预警领域的应用。
关键词激光测风雷达;民航机场;风切变;侧风引言（低空）风切变是指600m高度以内，风矢量沿着垂直或某个水平的方向变化，具有时间短、强度大、难预测等特点，这也提高了探测与预警难度。
风切变会影响飞机控制难度，所以采取有效的探测技术可以提前发现隐藏危险，保证飞机安全。
激光技术不断发展，与雷达技术结合形成了激光雷达，特别是激光测风雷达的出现，给风切变探测与预警提供了基础支撑。
激光测风雷达在实际应用中，具有数据获取率高、时空分辨率高等优势，弥补了传统风场探测技术的漏洞。
因此，加强激光测风雷达的研究有着重要意义。
1 激光测风雷达系统以及国内外发展现状分析1.1 系统分析通过分析可知，激光测风雷达系统主要应用了光纤相干光路、脉冲激光相干探测结构体，光源为窄线宽脉冲激光，可以有效通过激光探测到气溶胶散射回波信号多普勒频移信息，从而测量径向风矢量测量。
系统中的光机扫描伺服结构可以对指定空域展开全覆盖测量，我國民航机场多数都是采用多片光学反射镜结构，具有光路复杂、光机配合难、光学效率较低等问题，而激光测风雷达采用了二轴光电扫描球技术，包括电子舱、光学舱、二轴扫描伺服机构。
1.2 国内外发展现状在20世纪90年代，美国专家就开展了激光测风雷达进行风切变探测研究工作，并在2002年推出了激光测风雷达WindTrace。
近些年随着光纤技术不断发展，借助光纤激光器为核心的雷达成为研究主流，最具代表性的就是法国Leosphere公司推出的WindCubeS400-AT系统，可以实现3海里区域风场危险警告，在法国多个地区实现了应用。
风廓线雷达的原理及其应用
3、风的短时间和长时间间隔计算结果的比较 目前新研制的高空探测系统，可以达到每秒录取一次数据要求，用707雷 达的秒数据计算的风向风速随时间的变化如图6。
图6
用传统方法计算的风随高度的变化如图7。此种方法每分钟只能利用两次数 据，其余58次没有利用。
图7
图6所示的以秒数据计算的风向风速引入了定位装置误差 的影响，是很不真实，并且是不能用的。图7所示的风是 可以实际应用的。 目前《高空气象探测规范》规定风向风速算法是基于定 位装置误差的考虑。短时间间隔的空中风向风速是不能 用于业务的。 传统的气球定位测风方法，由于定位装置的误差，不可 能得到空中短时间风的湍流运动数据。 4、风速本身的波动 用GPS探空雷达测得的一秒间隔的风速连续变化可以 消除距离误差的影响，看到风速本身的波动，从风的两 个矢量变化可以看出，风本身的波动也是很大的，图8是 国产GPS探空雷达用多普勒测风方法得多的风的矢量变 化。
工作方式
为了获取风廓线雷达上空的三维风速信 息，至少需要三个不共面的波束。为了提高 探测精度，相控阵风廓线雷达一般采用五个 固定指向波束扫描，按预顺序轮流向如下所 述的五个方向发射射频脉冲（仰角一般在70º75º，以75º为例）。
回波信号的特点
风廓线雷达的回波是微弱的具有明显起伏涨 落、谱宽较宽的并伴有多种杂波的随机信号。微 弱、涨落和伴有杂波是风廓线雷达回波信号的突出 特点。并且回波信号随高度的增加反射率迅速减 小。因为回波信号非常微弱，所以极强检测微弱信 号的能力是对风廓线雷达的基本要求。有用信号大 多淹没在杂波之中是风廓线雷达回波信号的另一特 点。因此，如何将有用的气象信息从多种杂波中分 离、识别出来，是风廓线雷达的又一技术难题。
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激光测风雷达-分类
探测方式： • 相干探测激光雷达 • 非相干探测（直接探测）激光雷达。
激光测风雷达-分类
• 直接式常以空气分子的瑞丽散射为基础，一般选择蓝绿光或紫外等短 波长激光作为发射源，才能得到比较强的瑞丽散射气象回波信号，经 过单边缘滤波、双边缘滤波或条纹检测手段，通过功率谱分析方法， 间接提取多普勒频率信息。
（1）采用大面积天线,以提高天线增益,所以风廓线雷达一般 为方形天线,不作机械转动,而采用电扫描工作; （2）在每个波束指向探测时,风廓线雷达会驻留几十秒至数分 钟的时间进行连续探测, 并对收集的弱回波信号进行累加, 以 提高回波信噪比; （3）采用多模式组合探测
优势探讨
• 是一种新型的无球高空气象遥感探测设备; • 可以连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常
• 属于主动测量系统，利用大气中随风飘动的微小颗粒(气 溶胶或者大气分子)对激光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探测技术
• 采用光学方法对测量空域的风场进行非接触式实时三维测 量，同时完成对大气中的气溶胶的扫描
• 利用气溶胶运动产生的多普勒频移确定激光视线方向上的 径向风速的序列，反演观测视场的大气风场分布
中电集团14所 航天科工集团二院23所 安徽四创电子股份有限公
司
爱尔达公司
敏视达雷达有限公司
O CFL-16
O
Airda16000
O
GLC-24 CFL-08 SCRTWP-01
Airda8000
TWP8
CLC-8 CFL-03B K/LLX802
Airda3000
O
GLC-24 （14所） Troposphere Wind Profiler II
• 空间分辨率高（角分辨率rad量级）、时间分辨率高 • 高测量精度（低对流层<1m/s，中高层<3m/s） • 覆盖范围大（全球范围），适合星载平台 • 全球的分子散射测量：尤其在海洋或南半球 • 气溶胶散射测量：在低大气层和陆地上空
• 劣势：
• 适合晴天工作，大气穿透能力差（不适合雾、雨、雪天） • 近地面水平作用距离有限（由于大气衰减）
• 相干式常以大气中气溶胶的米氏散射为基础，一般选择中波红外或长 波红外光波段激光作为发射光源，才能得到比较强的米氏散射气象回 波信号，经中频信号处理，直接提取多普勒频率信息。
• 相干式更具有接近量子噪声极限的灵敏度，非常适合于极微弱气象回 波信号的检测
激光测风雷达-特点
• 优势（与其它方式比较）：
规定垂直风向上为正 • 分廓线雷达测得的径向速度用Vr表
示，建立三维直角坐标系 • 雷达为坐标原点，r为空间点到原
点距离，φ表示天顶角，θ表方位 角，由x轴正方向逆时针旋转
X轴指东，Y轴指北
风廓线雷达-结构探究
边界层风廓线仪一般由4个部分组成:
• 天线:天线阵分为4 块,每块上各有12×12根外部用树脂管密 封的细铜管排列构成。
CFL-16 （23所） Troposphere Wind Profiler I
Virtual Temperature
CFL-08 （23所） Troposphere Wind Profiler II
CFL-03B （23所） Boundary Layer Wind Profiler
SCRTWP-01 （四创） Troposphere Wind profiler
定位精度
±0.1度
位置分辨率 ±0.01度
位置重复率 ±0.05度
感谢您的聆听
THANK YOU FOR LISTENING
风廓线雷达与激光测风雷达
工作汇报
汇报人：
日期：2019.06.06
内容介绍
风廓线雷达
概念探测 原理介绍 国内外发展现状 分类特点及应用
激光测风雷达
概念探测 原理介绍 国内外发展现状 分类特点及应用
01 风廓线雷达
风廓线雷达-概念探测
• 风廓线雷达(wind profiler radar，WPR)，也叫风廓线仪 • 是一种新型的测风雷达,通过大气湍流对电磁波的辐射作
• 底部VAD扫描 • 顶部DBS扫描
VAD扫描反演方法
• 是目前风速矢量测量最广泛使用的方式之一 • VAD扫描方式中，在固定仰角的情况下，通过不同的方位
扫描，可以获取三个或更多的相互独立的视向风速，然后 通过估算每个方位不同距离上的径向风速，实现不同距离 上风场的一次性测量 在进行风场反演时进行以下假设条件： (1)风场分布均匀，且随海拔层状分布 (2)竖直方向上风速为零或非常小
• 模块箱:内部有24个模块分别控制24组天线。 • 收发装置: ①向模块箱里的激励单元传送发射信号,并对各
波束进行控制。②从模块箱接收观测信号,并检测出信号的 相位。③在收发装置中还产生这个系统的时间信号,用于系 统的时序控制。
• 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送来的数据,以 图形方式将处理后的产品显示出来,同时保存数据文件
5 000 m 3 000 m
300 m 50 m
中层风廓线雷达 对流层风廓线雷达 低对流层风廓线雷达
边界层风廓线雷达
46-68MHz
440-450MHz
440-450MHz
1270-1375MHz
概念探测
概念探测
• 因晴空大气湍流散射回波信号很弱, 为了能接收处理如此 微弱的信号, 风廓线雷达必须采用一些特殊技术:
K/LLX802 （四创） Boundary Layer Wind profiler
Airda 3000 （爱尔达） Boundary Layer Windprofiler
TWP8 （敏视达） Troposphere Windprofiler
风速计算-原理探究
• 由径向风速求水平风速 • 将风速分解为u，v，w三个分量，
• 当前，美国洛克希德马丁公司所研制的WindTrace激光测 风雷达已经在多个国际机场投入使用。
国内发展现状
• 2000年，中国海洋大学成功研制了一套车载式非相干多普 勒测风激光雷达系统；
• 2004年，中国科学院安徽光电所建立了第一台基于气溶胶 后向散射信号双边缘技术的米氏散射直接探测测风激光雷 达系统；
VAD扫描反演方法
国外发展现状
• 1999年，日本三菱电机株式会社开发出了1.55µm人眼安全 相干式光测风雷达系统；
• 2001年，法国ONERA和LEOSPHERE两家公司公共开发出了 1.54µm人眼安全的全光纤测风激光雷达系统；
• 2004年，美国汉普顿的美国宇航局研究中心研发了一套波 长为2µm的车载激光雷达系统。
风廓线雷达-原理探究
• 实际仪器设计为三波束或五波束 轮流发送
• 通过依次测量1个天顶垂直波束 指向和东、南、西、北4个倾斜 波束指向上各个距离库的多普勒 速度, 在大气水平均匀的条件下, 用同一高度上的5个波束指向的 多普勒速 度测量值联合求解出 大气3维风场。
02 激光测风雷达
激光测风雷达-概念探测
脉冲宽度
500ns
系统效率
>10%
波长
2022.5nm(Tm:Y AG)
孔径
10cm
距离分辨率 100m
最大不模糊径 ±20ms-1
向速度
±40ms-1(扩展)
探测距离 400m ~10km
WindTrace雷达系统参数
扫描系统参数 技术指标
孔径
11.6cm
方位范围
360度
俯仰范围
0-180度
最大扫描速度 20度/分钟
数等气象要素随高度的分布和随时间的变化; • 能在所有天气条件下测量风廓线; • 降雨会增强回波信号强度,有助于增大水平风测量的有效垂
直高度; • 是能够在无人值守状态下工作,并且几乎能在站址的正上方
做连续的风测量; • 具有很高的时间和空间分辩力;
国外发展现状
• 1960s—1990s，美国 最早完成 了风 廓线雷达的研制、试验、布设；
• 1980年美国国家海洋大气局(NOAA) 环境研究院波传导实验室 (WPL)在 科罗拉多州中北部建立了一个风廓 线雷达试验网；
• 美国维萨拉公司风廓线雷达分部, 发 布 产 品 LAP-3000 、 LAP-12000 和 LAP-16000等
国内发展现状
高对流层 低对流层
边界层
风廓线雷达 风廓线雷达 风廓线雷达
矢量风速反演方法
• 矢量风速V (u, v, w) 是少需要三个独立的径向速度估计 • 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 • 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
• 2007年，中国科学技术大学研发了一台波长为355nm的车 载测风激光雷达系统。
• 当前，中国兵器209所在传统扫描方式的基础上，研发了 一种采用二维扫描工作方式的小型三维测风激光雷达。
WindTrace相干激光多普勒测风雷达
技术参数
技术指标
脉冲重复频率 500Hz ±10Hz
脉冲能量
2mJ
用，根据多普勒效应获取不同波束方向的径向速度。在一 定风场假设条件下，利用处在同一高度面上的多个点的径 向速度计算水平风，垂直风可由垂直波束直接探测。
概念探测
• 风廓线，即风速随高度的 变化曲线，以研究大气边 界层内的风速规律。