一种利用激光测风雷达实现沿跑道全覆盖风廓线探测方法技术

本发明专利技术公开了一种利用激光测风雷达实现沿跑道全覆盖风廓线探测方法，包括以下步骤：步骤1：使用激光测风雷达进行RHI模式扫描，得到RHI数据：步骤2，根据RHI数据，计算跑道上空不同位置的水平风速、水平风向和垂直风速：步骤3，使用跑道上空不同位置的水平风速、水平风向和垂直风速数据重构出沿跑道全覆盖风廓线；步骤4，根据沿跑道全覆盖风廓线进行风切变的预警及探测：本发明专利技术的优点是：开创性地提出了RHI模式的探测数据和风廓线数据之间的关联以及将RHI模式的数据转换为风廓线数据的新的算法；在进行风切变的预警及探测时不仅能实现风廓线模式下相同位置在不同时刻的风切变预警及探测，同时也能实现相同时刻相邻位置之间的风切变预警及探测。风切变预警及探测。风切变预警及探测。

【技术实现步骤摘要】
一种利用激光测风雷达实现沿跑道全覆盖风廓线探测方法


[0001]本专利技术涉及一种利用激光测风雷达实现沿跑道全覆盖风廓线探测方法，属于气象


技术介绍

[0002]激光测风雷达分为非相干探测和相干探测，相干激光测风雷达的理论研究开始于20世纪60年代，是在美国国家航空航天局(NASA)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的支持下由J.A.L.Thomoson开始研究的。按照激光发射器的发展总共经历了三个阶段。第一代是采用CO2气体激光器的相干激光测风雷达，其技术成熟，缺点是体积大笨重，需要高能量供应和冷却系统。世界上第一台基于CO2激光器的相干激光测风雷达在1968年由美国雷神公司研制出来；第二代是Nd：YAG(orNd：YLF)相干激光测风雷达，于1987年由KaneT.J研究出来，它克服了CO2相干激光雷达的诸多缺点，并于1991年开始应用于肯尼迪航天中心，探测高空26Km的大气风场；第三代是Tm：YAG(Tm，Ho：YLF)相干激光测风雷达，1991年美国相干技术公司(CTI)研制了一台固态Tm，Ho：YAG激光雷达，并于1994年成功测量了风切变(风切变是一种大气现象，风矢量即风向和风速在空中水平和/或垂直距离上的变化)、机后涡流、机前风场图。此外1998年日本三菱电机有限公司研制了第一台1.5um相干测风激光雷达，这也是世界第一台1.5um波段相干测风激光雷达，之后于2005年研制出商用化LR
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05FC系列产品并得到了广泛的使用。成立于2004年的法国LEOSPHERE公司，也先后生产出了具有航空天气预警、风能发电和气候/天气研究的功能的相干激光测风雷达产品，如WINDIRIS、WINDCUBE7/8/10的系列产品；2003年英国Qinetiq公司研发出了ZephIR系列连续波相干激光雷达，雷达能够对0
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200m的大气三维风场进行实时探测，目前被广泛用于风场发电咨询。
[0003]相比国外，中国相干激光测风雷达的研究起步晚，2000年胡企铨和胡宏伟在理论上推导出用四波束圆锥扫描反演平均风的VAD方法并在地基激光测风雷达中进行了应用，之后又变化推导出了星载多普勒激光雷达的VAD方法；2003年刘金涛把激光雷达用VAD技术模拟探测到的平均风与小球探空的结果进行了对比，表明两种探测结果一致；2010年中国电子科技集团公司第二十七研究所(简称“中电27所”)研制了一台1.5um的相干激光测风实验装置，随后，李冬梅用加湿器加湿大气风场，在马路上使用此装置测量了10
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200m加湿后的风速；2011年西南技术物理研究所研制出一台1.55um全光纤相干激光测风雷达，随后范琪通过与气象业务常用的气球测风及风廓线雷达数据做对比，分不同天气类型验证了雷达的风场探测性能，结果表明激光测风雷达水平风速和风向的平均偏差最大不超过0.63m/s和14.98
°
；同年中国科学院上海光学精密机械研究所(简称“上光所”)研制了1.06um的相干激光测风雷达系统，随后竹孝鹏使用此系统对大气视向风速进行了测量，获得了30
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870m的视向风速分布曲线；2012年中电27所又研制了一套全光纤化的相干激光测风设备，潘静岩使用此设备与超声风速仪和探空气球同时进行了外场风速对比实验，实验结果表明设备探测结果与后两种仪器的探测结果一致；2014年上光所又研制了用于边界层风廓线探测的1.54um全光纤相干激光测风雷达系统，系统的水平探测距离可达1.9km，随后刁伟峰使用此
雷达与激光雷达与风廓线雷达测量的风速进行了对比，表明两者水平风速风向探测具有良好的一致性；同年中国海洋大学也研制了用于风能研究和开发利用的1.55um全光纤相干激光测风雷达。
[0004]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。激光测风雷达的风廓线模式能够探测雷达上空的风廓线，得到的数据是不同高度上的水平风速、水平风向和垂直风速的信息。风廓线数据是二级数据，它是基于径向速度数据通过计算得到的。雷达使用激光进行扫描后得到多个波束的径向速度数据，通过雷达内部的程序处理后直接输出风廓线数据。
[0005]距离高度显示器(Range Height Indicator，RHI)在雷达观测中用于显示雷达天线正对某方位以不同仰角扫描时目标物的垂直剖面图，纵坐标是高度，横坐标为水平距离。激光测风雷达的RHI模式能够设置方位角和起始仰角和终止仰角，扫描对应的垂直剖面，得到的数据是不同仰角的径向数据包括径向上不同距离的径向速度、谱宽、信噪比、频谱强度的信息。
[0006]单部激光测风雷达的风廓线扫描模式只能够探测雷达的上空，得到的结果是风场时间演变图。目前激光测风雷达的各个扫描模式都不能直接得到除去雷达上空外其它扫描区域的风廓线。与此相似的是风廓线雷达虽然能够探测到更多的信息，但也只能够探测到雷达上空。同时当前没有基于激光测风雷达的径向风速数据得到风廓线数据的方法。为了得到沿跑道全覆盖的风廓线就只能部署多台探测设备，这显然是不合理的。所以为了在只有一部激光测风雷达的情况下，探测沿跑道全覆盖的风廓线，就需要利用雷达的其它扫描模式的数据计算出风廓线数据。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的一种利用激光测风雷达实现沿跑道全覆盖风廓线探测方法。
[0008]本专利技术所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤1：使用激光测风雷达进行RHI模式扫描，得到RHI数据：
[0010]步骤1.1，将激光测风雷达的方位角设为跑道的方位角θ1，起始仰角设为0
°
，终止仰角设为180
°
，使用RHI模式进行扫描，得到对应数据，其中径向速度为V1；
[0011]步骤1.2，以θ1为基准逆时针旋转设定角度得到方位角θ2，将激光测风雷达的方位角设为θ2，起始仰角设为0
°
，终止仰角设为180
°
，使用RHI模式进行扫描，得到对应数据，其中径向速度为V2；
[0012]步骤1.3，以θ1为基准顺时针旋转设定角度得到方位角θ3，将激光测风雷达的方位角设为θ3，起始仰角设为0
°
，终止仰角设为180
°
，使用RHI模式进行扫描，得到对应数据，其中径向速度为V3；
[0013]步骤2，根据RHI数据，计算跑道上空不同位置的水平风速、水平风向和垂直风速：
[0014]步骤2.1，设定风场矢量为(x，y，z)，其中x是迎头风速，y是横向风速，z是垂直风速，将风场矢量投影到波束方向矢量上得到对应波束的径向风速，其表达式如以下公式(1)
‑
(3)所示：
[0015][0016][0017][0018]上式中，为仰角；
[0019]步骤2.2，求解风场矢量的三个分量的表达式如以下公式(4)
‑
(6)所示：
[0020]x＝((V1‑
V2)*(b1‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用激光测风雷达实现沿跑道全覆盖风廓线探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：使用激光测风雷达进行RHI模式扫描，得到RHI数据；步骤2，根据RHI数据，计算跑道上空不同位置的水平风速、水平风向和垂直风速；步骤3，使用跑道上空不同位置的水平风速、水平风向和垂直风速数据重构出沿跑道全覆盖风廓线；步骤4，根据沿跑道全覆盖风廓线进行风切变的预警及探测。2.根据权利要求1所述的一种利用激光测风雷达实现沿跑道全覆盖风廓线探测方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：步骤1.1，将激光测风雷达的方位角设为跑道的方位角θ1，起始仰角设为0
°
，终止仰角设为180
°
，使用RHI模式进行扫描，得到对应数据，其中径向速度为V1；步骤1.2，以θ1为基准逆时针旋转设定角度得到方位角θ2，将激光测风雷达的方位角设为θ2，起始仰角设为0
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，终止仰角设为180
°
，使用RHI模式进行扫描，得到对应数据，其中径向速度为V2；步骤1.3，以θ1为基准顺时针旋转设定角度得到方位角θ3，将激光测风雷达的方位角设为θ3，起始仰角设为0
°
，终止仰角设为180
°
，使用RHI模式进行扫描，得到对应数据，其中径向速度为V3。3.根据权利要求1所述的一种利用激光测风雷达实现沿跑道全覆盖风廓线探测方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1，设定风场矢量为(x，y，z)，其中x是迎头风速，y是横向风速，z是垂直风速，将风场矢量投影到波束方向矢量上得到对应波束的径向风速，其表达式如以下公式(1)
‑
(3)所示：所示：所示：上式中，代表仰角；步骤2.2，求解风场矢量的三个分量的表达式如以下公式所示：x＝((V1‑
V2)*(b1‑
b3)
‑
(V1‑
V3)*(b1‑
b2))/((a1‑
a2)*(b1‑
b3)
‑
(a1‑
a3)*(b1‑
b2))......(4)，y＝((V1‑
V2)*(a1‑
a3)
‑
(V1‑
V3)*(a1‑
a2))/((b1‑
b2)*(a1‑
a3)
‑
(b1‑
b3)*(a1‑
a2))......(5)，上式中，上式中，步骤2.3，根据风场矢量的三个分量计算跑道上空不同位置的水平风速、水平风向和垂直风速，其表达式如下所示：V
hor
＝sqrt(x2+y2)......(7)，θ
hor
＝arctan(y/x)......(8)，
V
ver
＝z......(9)，其中，sqrt()是计算平方根的函数；RHI模式的探测结果是跑道上空的垂直剖面中不同位置的径向速度，利用不同位置的径向速度计算出跑道上空对应位置的水平风速、水平风向和垂直风速，利用RHI模式的探测数据得到风廓线模式的探测数据，等同于对整个跑道的上空都进行了风廓线探测，利用RHI模式得到某时刻跑道上空的风场空...

【专利技术属性】
技术研发人员：王攀峰，程周杰，曾祥能，李冠林，
申请(专利权)人：中国人民解放军九三二一三部队，
类型：发明
国别省市：