Author Affiliations
Abstract
1 Aerospace Laser Technology and Systems Department, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Shanghai Typhoon Institute, China Meteorological Administration, Shanghai 200030, China
A method of spectrum estimation based on the genetic simulated annealing (GSA) algorithm is proposed, which is applied to retrieve the three-dimensional wind field of typhoon Nangka observed by our research group. Compared to the genetic algorithm (GA), the GSA algorithm not only extends the detection range and guarantees the accuracy of retrieval results but also demonstrates a faster retrieval speed. Experimental results indicate that both the GA and GSA algorithms can enhance the detection range by 35% more than the least squares method. However, the convergence speed of the GSA algorithm is 17 times faster than that of the GA, which is more beneficial for real-time data processing.
coherent Doppler lidar three-dimensional wind field retrieval genetic simulated annealing algorithm spectrum estimation typhoon Chinese Optics Letters
2024, 22(4): 040101
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 北京航空气象研究所，北京 100085
3 青岛镭测创芯科技有限公司，山东 青岛 266100
4 崂山实验室，山东 青岛 266237
5 中国海洋大学海洋高等研究院，山东 青岛 266100
为了提升大气物质边界层高度（AMBLH）的识别准确性，基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层（ABL）观测实验，提出了一种基于相干多普勒激光雷达（CDL）信噪比数据的AMBLH的综合反演方法，并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH，其与探空仪反演结果的相关度为0.93。分析了青岛一年内的AMBLH发展情况，发现各月份AMBLH均有日变化特征，其中6、7月特征相对较弱，推测这与夏季来自海洋的东南风盛行有关。AMBLH月均值在全年呈起伏波动趋势，在冬末至春初、夏末至秋初的阶段逐步增大。AMBLH月均中位数4月最高、6月最低，AMBLH季度发展程度由高到低的顺序为春季、冬季、秋季、夏季，其中春季和冬季高度相近。AMBLH各季度日变化中抬升趋势出现的时间为夏季早于春季，秋季与春季相近并早于冬季。
大气光学 相干多普勒激光雷达 大气物质边界层高度 综合反演方法
1 中国海洋大学 信息科学与工程学部 海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 中国海洋大学 海洋高等研究院，山东 青岛 266100
3 中国科学院上海光学精密机械研究所 中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
4 中国民用航空西北地区空中交通管理局甘肃分局，甘肃 兰州 730087
5 兰州大学 大气科学学院，甘肃 兰州 730000
6 崂山实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
基于多普勒效应的相干激光雷达广泛应用于测风等大气探测领域，实际应用于风场观测时，由于噪声杂波干扰、回波信号较弱和风场不均匀性等影响了多普勒频移估计的精度。为准确估计激光雷达弱回波信号中的多普勒频移，提升相干测风激光雷达的探测距离和探测精度，文中开展了基于激光雷达功率谱信号的多普勒频移估计算法以及探测性能提升的评估研究。在快速傅里叶变换的基础上，提出了一种结合线性预测频谱估计与导数增强方法的功率谱分析方法，通过与常用的最大似然离散谱峰值频移估计算法(ML DSP算法)进行比较，验证了文中方法在相干测风激光雷达微弱信号频移估计过程中的优势。风速数据的时间及空间相关性分析结果表明，功率谱分析方法具有更好的风速估计稳定性，有效风场探测距离相较ML DSP算法提升了73%。与超声风速计对比结果表明，文中提出的综合算法在弱信号情况下的风速测量精度高，风速结果与超声风速计的标准偏差相较ML DSP算法降低了0.23 m/s，偏离率BIAS降低了0.3 m/s，有效提高了低信噪比范围内多普勒频移估计的精度。
相干多普勒激光雷达 多普勒频移估计 弱信号识别 峰值检索 coherent Doppler lidar Doppler frequency estimation weak signal recognition peak retrieval 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230216
中国民用航空飞行学院空中交通管理学院, 四川 广汉 618307
为明确ARJ21飞机近地阶段的尾涡观测效率及演化过程, 基于在双流机场开展的尾涡实地探测, 提出一种基于相关多普勒激光雷达径向风速的尾涡快速识别方法, 并基于此方法分析ARJ21飞机起降阶段的尾涡演化过程。结果显示, ARJ21飞机的尾涡在近地面处产生, 然后向下、向外扩散, 尾涡环量随时间变化逐渐减小, 但在特定的近地效应影响下, 会发生二次涡诱导主涡反弹现象, 涡核高度由13 m处上升至18 m处。同时, 侧风条件会加速ARJ21飞机的尾涡耗散, 并使其平移至跑道外, 尾涡持续时间由非侧向风下的约70 s缩减至侧风条件下的约42 s。
相关多普勒激光雷达 尾涡识别 近地效应 尾涡耗散 coherent doppler lidar wake vortex detection ARJ21 ARJ21 near-ground effect wake vortex dissipation
1 中国海洋大学 海洋遥感研究所,山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛 266100
风机的尾流效应会导致风能的转化效率下降,还会增加湍流引起的机械应力损伤,降低风机的稳定性和 服务寿命。为研究新疆地区陆上风电场风机尾流特征, 2015年11月于新疆地区陆上风电场使用脉冲相干多普勒激光雷达进行风场观测。通过分析得到 新疆地区陆上风电场风机尾流特征,主要包括风速损失率、尾流宽度、尾流长度及其平均结果, 最大风速损失率,尾流长度随时间的变化趋势、与风速之间的关系等,发现风速损失率、 尾流宽度、尾流长度与背景风速、湍流强度有关。
脉冲相干多普勒激光雷达 风机 尾流效应 pulse coherent Doppler lidar wind turbine wake effect 大气与环境光学学报
2019, 14(4): 250
1 中国海洋大学 信息科学与工程学院 海洋遥感研究所, 山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室, 山东 青岛 266237
3 青岛镭测创芯科技有限公司, 山东 青岛 266000
介绍了低空风切变及其预警的研究工作、相干多普勒测风激光雷达反演风场算法以及计算下滑道逆风廓线算法.进一步分析了2015年冬季和2016年春季北京首都机场低空风切变观测实验中所观测到的风切变案例, 利用多种测量模式开展案例中风切变的监测, 并对风切变观测结果进行了验证.实验结果表明, 短距相干多普勒测风激光雷达多种测量模式均可能有效探测低空风切变.
低空风切变 相干多普勒激光雷达 逆风廓线 航空安全 low-level wind shear coherent Doppler lidar headwind profiles civil aviation safety
为了能在低信噪比情况下获得高精度矢量风速，采用非线性最优化理论中的序列二次规划(SQP)求解滤波正弦波拟合(FSWF)，实现了速度方位显示(VAD)算法中矢量风场的反演。基于模拟数据进行仿真实验，以反演结果的均方根误差作为评价指标，对比直接正弦波拟合(DSWF)和SQP-FSWF两种算法，结果表明在低信噪比条件下SQP-FSWF算法的反演效果优于DSWF算法。在FSWF计算中，基于风场反演结果的时空连续性，对比SQP算法和无约束最优化算法中的拟牛顿法，结果表明，SQP算法在低信噪比下效果更好。开展了激光雷达和探空气球的风场测量对比实验，获取了真实的激光雷达回波信号和同步探空气球数据，以进一步评估算法的可靠性。实验结果显示，SQP-FSWF算法得到的风速反演结果，同作为对比对象的探空气球的测量结果（水平风速、水平风向），两者间的相关系数分别为0.993和0.988，平均误差分别为0.2 m/s和3.28°，均方根误差分别为0.28 m/s和4.62°。对比分析反演结果的时空连续性发现，所提出方法在低信噪比下时空连续性更好，与模拟数据实验结果的效果表现一致。
遥感 相干多普勒激光雷达 速度方位显示 序列二次规划算法 信噪比 中国激光
2018, 45(11): 1110005
中国海洋大学信息科学与工程学院海洋遥感研究所, 山东 青岛 266100
低空风切变极易对起降过程中的飞行器、风力发电机的结构产生破坏性影响。简要介绍了低空风切变及风切变的危害,详细介绍了相干多普勒激光 雷达的工作原理和低空风廓线反演算法,以及利用风廓线、风矢量图、风速梯度图等观测数据提取风切变的方法。分析了2015年春季北京首都机场 低空风切变个例发生的气象条件和风切变强度。实验结果表明相干多普勒测风激光雷达能有效探测分析低空风切变。
低空风切变 相干多普勒激光雷达 风廓线 low-level wind shear coherent Doppler lidar wind profiles
1 成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室， 四川 成都 610225
2 成都西南技术物理研究所, 四川 成都 610225
3 成都信息工程大学电子工程学院， 四川 成都 610225
为了给低空飞行安全气象服务奠定基础，根据2015年7~9月国内新研制的全光纤相干激光测风雷达，联合边界层风廓线雷达和双经纬仪探空气球在我国东北某地获取的探测实验资料，对比了晴天、阴天、雾霾天和雨天4种天气类型下激光测风雷达和风廓线雷达与探空气球风场探测的相关性，以评估激光测风雷达的测风精度和稳定性。结果表明，晴、阴和雾霾天条件下，激光测风雷达测风精度优于风廓线雷达，其水平风与真值误差的标准差低于风廓线雷达的一半；雨天条件下，激光测风雷达探测高度受限，最大可测高度仅为风廓线雷达的一半，表明其风场探测受降水衰减影响比风廓线雷达严重。激光测风雷达测风稳定性优于风廓线雷达，垂向连续高度上其与真值的相关系数变化小且均达到0.9以上。晴、阴和雾霾天条件下，两种雷达测风精度均受大气风速变化影响，且随大气风速增加呈不同变化趋势。
遥感 探测性能 相干激光测风雷达 风廓线雷达
1 北京理工大学 光电学院, 北京 100081
2 中国气象局气象探测中心 气象装备保障室, 北京 100081
基于全微分和统计理论推导了星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差的解析表达式, 利用克拉默-拉奥误差下界代替Frehlich经验公式对风场的随机风速误差进行评估, 建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型.在NASA/NOAA提出的星载测风激光雷达系统设计指标框架下, 对风速及风向误差模型进行可行性分析,得到了总的径向随机误差随着探测距离的变化关系及水平风速区间的选取对随机误差的影响.同时, 为了计算合成采样误差, 改变不同的垂直分辨率和方向角取值, 对水平分量的采样误差进行对比分析.仿真结果表明, 合成的水平风速和风向的误差范围为0.8～3.2 m/s和2.38°～3.49°, 基本符合星载测风激光雷达的相关指标要求.
星载相干测风激光雷达 风速误差 风向误差 克拉默-拉奥误差下界 space based coherent Doppler lidar wind speed error wind direction error Cramer-Rao lower bound
