Windcube200s 多普勒測風激光雷達走航試驗

一、摘要

通過在全球部署的超過 1000 臺已投入使用的激光雷達系統， vaisala 能夠供風廓線、風切變、湍流層、云層和邊界層高度以及是否存在氣溶膠等實時、關鍵氣象測量數據和大氣測量數據。船載多普勒激光雷達測量有助于填補海洋高時空風廓線的數據缺口。在本試驗中，一臺固定于穩定平臺的 windcube200s 掃描多普勒激光雷達安裝在“嘉庚號”科考船上，于2021 年 5 月- 2021 年 6 月在南海海域進行了試驗。本文主要目的是驗證船載激光多普勒雷達測量的穩定性和準確性，驗證后處理校正算法的有效性。

我們將激光雷達的風廓線與 GPS 探空儀的風廓線測量進行了比較， 激光雷達與GPS探空測量表現出很高的一致性，需要說明的是探空數據是從升空到4km的高度花費需要18分鐘左右，而激光雷達選擇的是相近時間的平均值，所以有些時候在風場變化很快的時候會有不同的測量結果。

二、項目介紹

設備安裝照片如下圖：

三、船載激光雷達技術

本系統采用法國相干多普勒激光雷達，運動修正采用主動式機械平衡臺與軟件后處理修正方法。激光雷達按照以下程序依次完成測量： 

1. 激光雷達在大氣層中發送紅外脈沖。

2.當脈沖穿過大氣層時，部分信號受空氣中的顆粒（灰塵、云霧中的水滴、受污染的氣溶膠、鹽晶體、生物質燃燒產生的氣溶膠）影響發生反向散射。這類移動的顆粒會造成在反向散射

輻射中發生與顆粒的徑向風速成正比的頻移（稱為“多普勒頻移”）。

3. 僅獲得一次脈沖信號數據不足以取得良好的信噪比，也無法正確估計風速。因此，Windcube 激光雷達系統在一段時間內發送多個脈沖信號，該時間稱為積累時間，對應于激光雷達系統的時間分辨率。

4.然后激光雷達將處理反向散射的信號并計算徑向風速。

相干脈沖式多普勒激光測風雷達原理

激光測風雷達掃描模式

激光測風雷達參數定義

激光測風雷達 Windcube 200S 技術參數

3.1 雷達掃描設置

掃描類型：DBS(多普勒波束掃描)

?  方向參數

    仰角：62°

?  運動參數

    采集時間：1000ms

    完成1次五波束掃描的運行時間：約13s

?  距離參數

    分辨率：50m

    測量點數：125

    極小高度：100m

    顯示分辨率：50m

    極大高度：6300m

3.2 平衡臺

3.2.1 平衡臺功能

通過將激光測風雷達安裝在平衡臺上，實現風雷達在船舶航行過程中對船體搖擺的修正，使風雷達保持在相對穩定（傾斜角度在 0.2°范圍內）的姿態進行測量工作。

3.2.2 平衡臺工作原理

六自由度運動試驗臺采用 Stewart 平臺結構，通過六套伺服作動器的伸縮來實現上平臺在空間內六自由度的運動。運動臺的工作原理為：操作人員通過監控單元的人機操作界面對期望復現的運動，如平臺位移、姿態的波形、幅度、頻率等參數進行設置。這些運動參數傳輸給運動控制計算機，運動控制計算機通過實時運動學解算（運動學位置反解），得出作動器運動量并生成控制指令，該控制指令由伺服控制單元經過信號調理后輸出，驅動伺服系統運動實現所期望的運動姿態。同時，伺服控制單元實時采集作動器的位移、速度等參數，實現運動試驗臺的監測與保護，并對各種信息進行顯示。

3.2.3 平衡臺技術參數

?  具有空間六個自由度，能夠滿足用戶試驗件設計半實物仿真需求。能夠模擬飛行譜、路譜、海浪譜；單自由度運動；傾斜試驗等六自由度運動；

?  負載重量：350Kg；

?  搖擺臺重量：500Kg；

?  臺面尺寸：1.1m×1.02m，按用戶要求做連接孔；

?  控制臺尺寸：寬 0.6m×長 1.15m×高 1.15m。

1）角度重復定位精度：±0.1°

2）直線重復定位精度：±0.1mm

3）運動頻率范圍：0.01-20Hz。

4）防水等級：IP67。

3.3 后處理軟件

對原始數據進行姿態修正和航速航向修正，輸出修正后的 RTD 和 STA 文件

四、數據分析

4.1 修正前后數據對比

圖 a 是緯度，圖 b 是經度，圖 c 是船的航速，圖 d 是船的航向，圖 e 是船的朝向。從圖 c 可以看出船有航行和停止，圖 d 的航向也波動較大。圖 e 船體的朝向，變化相對較小。與事實情形相符。圖 f 中的藍線是利用船體朝向修正風向后的激光雷達風速，對于圖 c 船的航速，可以發現，風速有相應的波動。圖 f 中的橙色線，是進一步利用船的航速和航向修正后的風速，與船速相應的波動消失。（該結果非常好，表明修正后的結果是合理的）

圖 g 是修正后的激光雷達風向，修正后的風向變化較平穩，沒有與船相聯系的變化。該結果也很好說明修正是合理的。

下圖更能說明風速修正的合理性。黑色是修正前的激光雷達風速，橙色是船的速度，可以看到兩者有顯著的對于變化，表明船的運動導致激光雷達測量風速的變化。藍色線是修正后的結果，此時與船速對應的變化已經消失，與事實吻合。黑色與藍色對應左側 Y 坐標，橙色線對應右側 Y 坐標。

4.2 與探空氣球數據對比

4.2.1風廓線對比

4.2.2 風速相關性對比

下面為探空每秒數據和雷達十分鐘平均的風速數據相關性分析圖

4.2.3 風向相關性對比

下面為探空每秒數據和雷達十分鐘平均的風向數據相關性分析圖

五、信噪比閾值影響

WINDCUBE200s 信噪比（CNR）是激光雷達數據質量控制的關鍵參數之一，其在出廠時經過標定，大致閾值范圍為-32dB 至-26dB，且隨物理分辨率（Range Gate Length）值增大而降低。

基于多年實際應用經驗，激光雷達測量數據質量主要取決于測量時的大氣條件（氣溶膠含量等），且 WINDCUBE 系列激光雷達的數據過濾為業務化運行設計，指標趨嚴格，進而對采集數據的有效性和測量距離產生一定影響。

參考相關文獻（doi: 10.1016/j.egypro.2014.07.230）中對數據有效性的分析，如文中截圖所示（見上圖），實驗采用 WINDCUBE100s 型激光雷達，灰色直線為默認信噪比閾值（約-27dB），但激光雷達測量有效數據明顯可超出此閾值范圍。

在 某 些 適 合 的 大 氣 條 件 下 ， 激 光 雷 達 甚 至 可 高 于 標 稱 的 典 型 測 量 距 離 ，

如上面 WINDCUBE200s 在日本某地 2021 年初的實例截圖所示，激光雷達物理分辨率設置為 100 米，累積時間為 1 秒，測量高度已達到 10 公里以上。

以上 6 張結果圖所示為本航次中 2021 年 5 月 20 日至 25 日信噪比和測量高度的分析，綠色直線為本次實驗中 WINDCUBE200s 型激光雷達的信噪比閾值（約-27dB），黃色直線為供參考的-32dB 閾值?？梢娂す饫走_在所有預設的高度層（100 米至 6300 米）都采集到了數據，為保證數據質量， 數據處理中采用了嚴苛的-27dB 信噪比過濾上限值。

六、總結

結果表明，運動對船載激光雷達水平風速測量有顯著影響。平衡臺和后處理修正很好的去除了這些影響，數據質量達標。