Windcube200s 多普勒测风激光雷达走航试验

一、摘要

通过在全球部署的超过 1000 台已投入使用的激光雷达系统， vaisala 能够供风廓线、风切变、湍流层、云层和边界层高度以及是否存在气溶胶等实时、关键气象测量数据和大气测量数据。船载多普勒激光雷达测量有助于填补海洋高时空风廓线的数据缺口。在本试验中，一台固定于稳定平台的 windcube200s 扫描多普勒激光雷达安装在“嘉庚号”科考船上，于2021 年 5 月- 2021 年 6 月在南海海域进行了试验。本文主要目的是验证船载激光多普勒雷达测量的稳定性和准确性，验证后处理校正算法的有效性。

我们将激光雷达的风廓线与 GPS 探空仪的风廓线测量进行了比较， 激光雷达与GPS探空测量表现出很高的一致性，需要说明的是探空数据是从升空到4km的高度花费需要18分钟左右，而激光雷达选择的是相近时间的平均值，所以有些时候在风场变化很快的时候会有不同的测量结果。

二、项目介绍

设备安装照片如下图：

三、船载激光雷达技术

本系统采用法国相干多普勒激光雷达，运动修正采用主动式机械平衡台与软件后处理修正方法。激光雷达按照以下程序依次完成测量： 

1. 激光雷达在大气层中发送红外脉冲。

2.当脉冲穿过大气层时，部分信号受空气中的颗粒（灰尘、云雾中的水滴、受污染的气溶胶、盐晶体、生物质燃烧产生的气溶胶）影响发生反向散射。这类移动的颗粒会造成在反向散射

辐射中发生与颗粒的径向风速成正比的频移（称为“多普勒频移”）。

3. 仅获得一次脉冲信号数据不足以取得良好的信噪比，也无法正确估计风速。因此，Windcube 激光雷达系统在一段时间内发送多个脉冲信号，该时间称为积累时间，对应于激光雷达系统的时间分辨率。

4.然后激光雷达将处理反向散射的信号并计算径向风速。

相干脉冲式多普勒激光测风雷达原理

激光测风雷达扫描模式

激光测风雷达参数定义

激光测风雷达 Windcube 200S 技术参数

3.1 雷达扫描设置

扫描类型：DBS(多普勒波束扫描)

♢  方向参数

    仰角：62°

♢  运动参数

    采集时间：1000ms

    完成1次五波束扫描的运行时间：约13s

♢  距离参数

    分辨率：50m

    测量点数：125

    极小高度：100m

    显示分辨率：50m

    极大高度：6300m

3.2 平衡台

3.2.1 平衡台功能

通过将激光测风雷达安装在平衡台上，实现风雷达在船舶航行过程中对船体摇摆的修正，使风雷达保持在相对稳定（倾斜角度在 0.2°范围内）的姿态进行测量工作。

3.2.2 平衡台工作原理

六自由度运动试验台采用 Stewart 平台结构，通过六套伺服作动器的伸缩来实现上平台在空间内六自由度的运动。运动台的工作原理为：操作人员通过监控单元的人机操作界面对期望复现的运动，如平台位移、姿态的波形、幅度、频率等参数进行设置。这些运动参数传输给运动控制计算机，运动控制计算机通过实时运动学解算（运动学位置反解），得出作动器运动量并生成控制指令，该控制指令由伺服控制单元经过信号调理后输出，驱动伺服系统运动实现所期望的运动姿态。同时，伺服控制单元实时采集作动器的位移、速度等参数，实现运动试验台的监测与保护，并对各种信息进行显示。

3.2.3 平衡台技术参数

♢  具有空间六个自由度，能够满足用户试验件设计半实物仿真需求。能够模拟飞行谱、路谱、海浪谱；单自由度运动；倾斜试验等六自由度运动；

♢  负载重量：350Kg；

♢  摇摆台重量：500Kg；

♢  台面尺寸：1.1m×1.02m，按用户要求做连接孔；

♢  控制台尺寸：宽 0.6m×长 1.15m×高 1.15m。

1）角度重复定位精度：±0.1°

2）直线重复定位精度：±0.1mm

3）运动频率范围：0.01-20Hz。

4）防水等级：IP67。

3.3 后处理软件

对原始数据进行姿态修正和航速航向修正，输出修正后的 RTD 和 STA 文件

四、数据分析

4.1 修正前后数据对比

图 a 是纬度，图 b 是经度，图 c 是船的航速，图 d 是船的航向，图 e 是船的朝向。从图 c 可以看出船有航行和停止，图 d 的航向也波动较大。图 e 船体的朝向，变化相对较小。与事实情形相符。图 f 中的蓝线是利用船体朝向修正风向后的激光雷达风速，对于图 c 船的航速，可以发现，风速有相应的波动。图 f 中的橙色线，是进一步利用船的航速和航向修正后的风速，与船速相应的波动消失。（该结果非常好，表明修正后的结果是合理的）

图 g 是修正后的激光雷达风向，修正后的风向变化较平稳，没有与船相联系的变化。该结果也很好说明修正是合理的。

下图更能说明风速修正的合理性。黑色是修正前的激光雷达风速，橙色是船的速度，可以看到两者有显著的对于变化，表明船的运动导致激光雷达测量风速的变化。蓝色线是修正后的结果，此时与船速对应的变化已经消失，与事实吻合。黑色与蓝色对应左侧 Y 坐标，橙色线对应右侧 Y 坐标。

4.2 与探空气球数据对比

4.2.1风廓线对比

4.2.2 风速相关性对比

下面为探空每秒数据和雷达十分钟平均的风速数据相关性分析图

4.2.3 风向相关性对比

下面为探空每秒数据和雷达十分钟平均的风向数据相关性分析图

五、信噪比阈值影响

WINDCUBE200s 信噪比（CNR）是激光雷达数据质量控制的关键参数之一，其在出厂时经过标定，大致阈值范围为-32dB 至-26dB，且随物理分辨率（Range Gate Length）值增大而降低。

基于多年实际应用经验，激光雷达测量数据质量主要取决于测量时的大气条件（气溶胶含量等），且 WINDCUBE 系列激光雷达的数据过滤为业务化运行设计，指标趋严格，进而对采集数据的有效性和测量距离产生一定影响。

参考相关文献（doi: 10.1016/j.egypro.2014.07.230）中对数据有效性的分析，如文中截图所示（见上图），实验采用 WINDCUBE100s 型激光雷达，灰色直线为默认信噪比阈值（约-27dB），但激光雷达测量有效数据明显可超出此阈值范围。

在 某 些 适 合 的 大 气 条 件 下 ， 激 光 雷 达 甚 至 可 高 于 标 称 的 典 型 测 量 距 离 ，

如上面 WINDCUBE200s 在日本某地 2021 年初的实例截图所示，激光雷达物理分辨率设置为 100 米，累积时间为 1 秒，测量高度已达到 10 公里以上。

以上 6 张结果图所示为本航次中 2021 年 5 月 20 日至 25 日信噪比和测量高度的分析，绿色直线为本次实验中 WINDCUBE200s 型激光雷达的信噪比阈值（约-27dB），黄色直线为供参考的-32dB 阈值。可见激光雷达在所有预设的高度层（100 米至 6300 米）都采集到了数据，为保证数据质量， 数据处理中采用了严苛的-27dB 信噪比过滤上限值。

六、总结

结果表明，运动对船载激光雷达水平风速测量有显著影响。平衡台和后处理修正很好的去除了这些影响，数据质量达标。