风廓线雷达与激光测风雷达

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
（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பைடு நூலகம்常
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
• 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
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
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
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。
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。
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。
风廓线雷达-分类
100 000 m 60 000 m
16 000 m 12 000 m 8 000 m 6 000 m
• 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）
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
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:
• 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
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
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。
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，
• 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
• 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；
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；
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
• 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
• 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
• 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）：