多普勒激光雷达的风场探测与数据分析

多普勒激光雷达的风场探测与数据分析目录1引言 12多普勒效应 12.1多普勒效应简单介绍 12.2光波的多普勒效应 23激光雷达 23.1激光雷达介绍 23.2激光雷达的分类 33.2.1按观测角度分类 33.2.2按应用场景分类 33.2.3按使用方式分类 43.2.4小结 43.3多普勒激光雷达 43.3.1多普勒激光雷达原理 43.3.2多普勒激光雷达测风速 54激光多普勒测风技术 54.1激光多普勒测风技术指标 54.2激光多普勒测风技术分类 54.2.1点分子测风技术 64.2.2相干探测技术 64.2.3非相干探测技术 64.3激光多普勒测风技术误差分析 74.3.1误差分析 74.3.2校正方法 85海口上空风场的探测分析和反演 85.1海南师范大学海南激光雷达实验室 85.2瑞利测风激光雷达测风探测结果案例 85.3风速反演 95.4海口风速案例分析 106总结 11参考文献 12致谢 13

摘多普勒效应效应的大气风场激光雷达探测技术、以及数据分析方法，并分析了2023年11月17-18日海南师范大学瑞利测风激光雷达的观测数据，反演得到了当天海口上空3-20km高度范围上大气水平风场的分布廓线。相关分析结果可以给天气预报、气象研究和环境变化提供部分参考。关键词:多普勒效应，激光雷达，水平风场，海口1引言精确风场测量对于气象领域和气象研究来说极其重要。而传统测风雷达的测风精确度不高。但随着科学和技术进步，激光雷达测风技术不断成熟。激光测风雷达有高精度、分辨率高、可远距离测风、响应快等优势[1]。特别是在晴朗的天气条件下，激光雷达测风几乎在各个方面上都称的上完美，因此在气象领域中发挥着越来越重要的作用。多普勒激光雷达的原理是利用光波频率的变化来检测空气中气体和微粒的速率。在通过数据处理系统后，进而可以进行风速精准运算。不过多普勒激光雷达技术有很多技术指标和技术参数，在不同的测量环境下，需要做到具体问题具体分析。因此在测量之前必须进行环境适配参数调整。本次研究希望以点带面，通过对海口上空风场的测量来探讨背后相关的多普勒激光雷达测风的技术原理和分析方法。研究目标不仅是为气象预测和环境评估提供更加准确的数据，还包括验证多普勒激光雷达技术在应用于大气科学时的效果。通过这些研究成果，期望能为将来同类技术的使用与发展提供一些参考和启示。2多普勒效应2.1多普勒效应简单介绍多普勒效应是一种普遍适用于波动的基本原理，它不仅体现在声波上，还可以应用到如光波等其他类型的波。这种效应产生于波源与观察者之间的相对移动，这样的移动会使得观察者所感知的波频率与波源实际发射的频率存在差异[2-3]。关于声音现象，以火车鸣笛的例子而言，表现得尤为突出。例如，当火车接近观察者时，由于声波的压缩，火车的鸣笛声听起来变得尖锐；相反，当火车驶离时，由于声波的扩展，鸣笛声则显得更低沉。这种由声波的变化导致的音高变化，最早由19世纪的科学家克里斯蒂安·多普勒观察到，并以他的名字命名为多普勒效应。这一发现不仅在声学领域有重大意义，其影响也扩展到了天文学、气象学及医学等多个领域。多普勒效应使得科学家能够通过分析波的频率变化来研究从星体运动到血流速度的各种现象。观察者（Observer）和发射源（Source）的频率关系为：f其中f'为观察到的频率；f为发射源于该介质中的原始发射频率；v为波在该介质中的行进速度；vo为观察者相对于介质的移动速度，若接近发射源则前方运算符号为+号，反之则为−号；2.2光波的多普勒效应具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称为多普勒-斐索效应。因为法国物理学家斐索于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化。如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移[4]。光波与声波的不同之处在于：光以光速c运行，这时需要考虑狭义相对论带来的效应。当运动沿着任意方向时，若从观察者参考系来看，波源以速度v以及相对于从观察者到波源方向呈一个角度θ（光从波源发射到观察者的方向与波源速度的夹角）远离，则频率变化[2-3]为f其中γ=1Δf3激光雷达3.1激光雷达介绍在1961年，美国的科学工作者通过使用激光雷达技术成功捕捉到了从月球返回的光信号，这一事件标志着激光雷达技术的崭新起点。激光雷达，或称为lidar，是一种依靠激光来进行距离和速度测量的传感技术。它主要由激光发射装置，接收装置和数据处理系统三大部分构成。在激光雷达技术的历史进程中，一系列关键的技术突破极大地推动了其向前发展，例如激光技术、计算机科技与信号处理领域、光电探测器、光学组件等。这些技术进步不仅增强了设备的性能，也拓宽了激光雷达的应用范围，使其成为一个不断创新和应用领域持续扩展的高科技领域。激光雷达系统作为一种先进的技术，已在多个行业中显示出其关键性能力，例如在军事、航空、地理信息系统、气候变化研究和环境保护等领域。激光雷达技术由于其独特的属性，在科学研究和实际操作中持续证明其价值。3.2激光雷达的分类3.2.1按照观测角度进行分类一、后向散射激光雷达后向散射激光雷达技术通过发射激光脉冲至特定目标，并记录从发射到接收反射回来的脉冲所需的时间，来计算对象的距离，形状和速度等关键信息[5]。这项技术能够直接和精确地获取距离与速度数据，具有明显的比较优势，该激光在别的领域也大有可为。令人惊喜的是它还能根据回波的强度、偏振度和频谱来判断目标物的运动特点。二、侧向成像激光雷达侧向成像激光雷达是经济实惠型，其工作原理与传统激光雷达是完全不同的。它使用成像系统对激光束进行拍照，然后计算每个像素所对应的回波传播的方向。再通过测量光束的传播方向和几何信息，就可以计算出每个像素点对应的距离。侧向成像激光雷达比后向散射激光雷达的优势包括成本较低、近场无盲区和几何校正的校准等优点。所以它在边界层探测方面非常有优势。但是它也有一些缺点。众所周知，侧向成像激光雷达的一个主要缺点就是随着距离的增加，这使得在远距离处的探测能力相对较弱。还有一个缺点就是对于高空的探测能力也相对较差。最大的缺点可能是在可见光波段的侧向成像激光雷达在白天可能受到背景光的严重影响，这会严重影响它的性能。3.2.2按应用场景分类一、地面激光雷达一种安置于地面的仪器用于对各种地表元素如物体、建筑、道路以及地形进行详细测量和模拟。该设备能够提供高精度的数据，这对城市规划和工程测量领域尤为重要。然而，它需要被固定在特定位置，因此其使用范围受到一定限制。二、航空激光雷达该设备被应用于各类航空器之上，主要功能是对广阔地区的三维地形进行迅速而有效的测量。此技术特别适合于执行地质调查和森林资源的评估工作。尽管这种设备可以提供精确的大面积地形图，但其价格不菲且操作要求繁复，同时对搭载的飞行器也有较高的技术要求。三、水下激光雷达设计用于在水下环境中进行测量和探测的激光雷达系统。它能够在水下环境中进行测量和探测，适用于海洋地质勘探、水下地形测量等领域。但该设备技术难度较大，成本高，受水下环境限制。3.2.3按使用方式分类一、固定式激光雷达安装在固定位置，用于长期监测、定点观测等任务。该设备稳定可靠，长期监测数据连续性好。但覆盖范围有限，适用场景受限。二、移动式激光雷达安装在移动平台上，如车辆、船只、无人机等，用于快速获取大范围区域的三维地图和数据。比较活便捷，能够快速获取大范围数据。但该设备成本高，操作复杂，对移动平台要求高，覆盖范围受限。3.2.4小结通过这些分类方式，可以帮助更好的理解激光雷达技术的原理和使用。在实际应用时，可以根据环境和待测目标的特点来选择不同的激光雷达。有时还可以将不同类型的激光雷达结合在一起使用以达到最好的测量效果。 3.3多普勒激光雷达3.3.1多普勒激光雷达原理多普勒激光雷达技术基于多普勒效应的原理来测定物体的速度。多普勒效应指的是当波源如激光与运动的物体之间存在相对位移时，接受到波的频率与波源发出的频率并不一样的现象，且满足相关频率公式[6]。因此基于相关原理，多普勒激光雷达可以通过对返回的激光信号的频率进行分析，就可以准确地测出物体的速度。3.3.2多普勒激光雷达测风速多普勒激光雷达可以用来测量大气中的风向和风速。其原理是向天空发射激光脉冲，再接受这些脉冲与大气中气体分子或气溶胶颗粒相互作用后的反射信号。通过分析这些反射信号的频率变化，可以准确地推算出风的速度和方向。虽然这种技术是通过间接测量来得出结果，但测量结果是非常准确的。4激光多普勒测风技术4.1激光多普勒测风技术指标激光多普勒测风技术被大量的应用在气象学领域，它有很好的检测能力，它的测量风速的能力就非常重要。该技术可以测量的距离介于2000米至30000米，在不同的大气中的层次中都可以以获取风速数据。激光多普勒测风技术展现出在大气风速测量领域的高效性和精确性。它在测量距离为20到50米内具有强大的测量能力，因此有很好的短距离测量功能。它的测风速误差为0.5米左右，说明有很强的精确度。该设备的扫描速率可以达到每秒30度，说明了该技术在处理数据方面的高效率。还值得关注的是它的风速测量范围为±30米每秒，这很好的展示处理了其优秀的速度捕捉能力。这些无不说明了激光多普勒测风技术在测定风速方面具有出色的性能。该技术的工作原理可以参照图1进行理解。图一来自参考文献[7]。图1激光多普勒技术原理图4.2激光多普勒测风技术分类4.2.1碘分子测风技术脉冲分子多普勒激光雷达是一种测定大气风速的高级技术。此技术运用激光脉冲与空气中分子的交互作用，依此通过分析反射回的激光信号来识别风速数据。其核心原理涉及多普勒效应：当激光脉冲与运动中的气体分子相遇时，气体分子的移动使得激光的波长发生变化，再比较和分析激光的波长变化就可以推算分子运动速率。碘分子测风技术能够详细探测风速的变化，加强多普勒激光雷达的测风的精确性。该技术监测区域广，还支持实时数据更新，为天气预测提供了即时的风速信息。但它的技术比较昂贵。不过随着技术的不断发展，有理由可以相信碘分子测风技术在未来在大气领域的应用潜力很大。4.2.2相干探测技术相干探测技术利用激光的相干特性来执行多种测量与检测任务。这种技术主要依赖于发送激光信号及其后利用探测器捕获并分析这些信号的回响。该技术在多个场合中被证明至关重要，包括光学通信、成像方法、激光雷达技术和光谱分析等领域。相干探测通过挖掘激光的固有特性，提供了一个既精确又高效的途径，用于开展科技和科学上的研究工作。本项技术基于激光的相干特性进行工作。激光自身的特性中，光波的振幅和相位是恒定相关的，展现出明显的相干性。与此同时，当激光照射到某一特定目标上时，反射回来的光波将携带该目标的诸多信息，比如目标的结构、表面属性及其动态变化。通过对比这些反射回来的光波与原发激光波之间的相干性的差异，我们能够解读出关于目标的详尽信息。相干探测技术的特点和应用领域非常广泛，它主要利用其能够提供高分辨率的探测能力，特别是在那些微观尺度上或者在信噪比相对较低的环境中展示出显著的效果。然而，相干探测技术也存在一些挑战和限制，相干探测系统需要非常复杂和昂贵的光学和电子部件，而且自身的系统设计和调试较为复杂。对环境条件的要求较高。对较强的计算能力和算法提出了很高的要求。4.2.3非相干探测技术非相干探测技术利用的是非相干光，例如太阳光，led灯等光源。非相干探测技术主要基于测量和分析光信号的强度来工作。当使用非相干光源照明目标时，目标会对这些光进行反射、散射或吸收。通过这种方式，返回的光信号含有了目标的详细特性。例如返回的光信号，强度、频谱及颜色分布等，进而得到待测物体的物理信息。这种技术不依赖于高端的光学设施或复杂的光源配置，一般的光源和探测设备就可以完成任务，所以具有很好的适应性和实用性。与相干探测技术相比，非相干探测技术在设备成本上一般更加低。尽管非相干探测技术在特定领域有所应用，其限制和面临的问题仍不可忽视。此技术使用非相干光源，这种光源发出的光束相干性较差，这一点负面影响了图像的清晰度及分辨率。更关键的是，此技术主要通过测量光强度而非光相位来进行工作，这在进行微弱信号检测时限制了其性能，导致测量灵敏度不是很高。同时，由于该技术不提供关于光相位的信息，因而在那些需要这种信息的应用场景中，其效率可能会受到影响。尽管存在很多技术困难，非相干探测技术因其应用条件较低，范围广。它依然是非常重要的探测技术。4.3激光多普勒测风技术误差分析4.3.1误差分析激光多普勒测风技术很很高的精确度，但实际测量时也会出现一些误差，这些误差能够影响最终的测量数据。因此进行误差分析是确保数据准确性的必要措施，这些误差主要是由以下几个因素造成的。F-P（Fabry-Perot）标准器在透光率曲线校准直接影响测量结果的准确度。为了评估这种校准的准确性，我们需要将实际校准后得到的透光率曲线参数与其理论值进行比较分析。这样就可以知道实际的校正是否正确和合适[8]。系统运行过程中的参数变化也是一个影响误差的重要因素。在系统运行过程中，各种参数都可能会改变，这些变化都会影响测量结果。在对径向风速进行反演时，对气溶胶和大气温度的估计的不准确度是影响结果的重要因素[8]。因为天气的不确定性和变化，对气溶胶和大气温度的估计的不准确度是不精准的。只有在实验测风之前，充分考虑这些影响结果的因素，并制定相关的校正方法，才能得到比较精准的测量结果。4.3.2校正方法在知道和理解影响结果的主要因素后，为了得到更精准的测量结果，校正是必要的措施。应该正对以上的因素一一采取正确有效的校正措施。因此应该采用多种技术改良方法，这样可以显著的提高测量的精确度，也方便为天气预报和气候变化提供更为可信的数据。除此以外，优化和更新数据处理系统是重中之重。具体来说，就是在数据处理系统加入对更多误差来源的校正步骤，这能有效提高测量数据的精确度。5海口上空风场的探测分析和反演5.1海南师范大学海洋空间环境探测激光雷达实验室海南师范大学海洋空间环境探测激光雷达位于海南师范大学第一办公楼楼顶，地理坐标为19.9°N纬度，110.3°E经度，如图2所示。它是2022年建设完成的Rayleigh-Raman-Doppler综合激光雷达系统，基于大气分子对激光的瑞丽散射、拉曼散射、和多普勒散射效应，能实现海口上空大气温度、水汽、气溶胶、和水平风场的高精度探测。图2海南师范大学激光雷达系统外观图5.2瑞利测风激光雷达测风探测结果案例海南师范大学瑞利测风激光雷达是基于碘分子测风技术，通过监测双通道数据信号的差值，来完成大气水平风场的反演。如图3所示，为瑞丽激光雷达测风实验观测信号采集显示图。图3瑞利激光雷达测风实验观测信号采集显示图5.3水平风场反演采用1976美国标准大气温度模型[10]，在排除气溶胶影响下，分子信号透过率的函数是Ti,R式中：Δvr=(8kT/Mλ2+ΔvRV由之前的风场测量速度公式可得：RV可以导出δV∂解得δv，则v(1)=v(0)+δv，将v(1)重新代入方程，进行重复迭代，直到(max(δv=v(k+1)−v(k)∣)<ε为止，最终ν基于2023年11月17日到2023年11月18日的实验观测数据，通过数据反演分析，得到如图4和5所示的海口上空大气水平风场的探测结果。其中坐标表示的是海拔高度，横坐标表示的是风场的风速大小和方向。红线表示纬向风，蓝线代表经向风。图417号夜间海口上空水平风场分布图518号夜晚上空水平风场分布5.4海口风速案例分析海口是中国最南方的省份，属于热带季风气候区，因此该地区的风场会受季风的强烈影响，主要是在夏季的东南季风和冬季的北方季风。此外，海口复杂的地形，包含多变的海岸线以及附近的山脉和河流，使得风场的动态性进一步增加。这样的地形环境支持了各类局部风现象的发生，例如山地风和海陆风效应。同样，该地区的地表特性、城市构造及居民的日常活动也对地面温度及热力平衡产生了不同程度的影响，进一步调整了风的方向与强度。因此，海口的风场特征展示了从季节性风向变化到由自然和人为因素共同引导的长期气候趋势的转变。因此研究当地的水平风场，需要同时考虑这些因素。可以将风划分为经向风和纬向风。纬向风是指沿着纬度传播的风，包括东风和西风。其中东风比较温暖湿润，西风比较寒冷干燥。经向风是指沿着经度传播的风，其中北风比较寒冷干燥，南风比较温暖湿润。这样的划分非常有利于理解上空风速的变化，也方便研究风速问题。根据图4和图5的展示，在海拔为10km以下的经向风和纬向风的风速随海拔升高风速逐渐变大，风速变化过程较为平缓，但在海拔为10km左右有明显的风速切变点。在海拔10km以上，经向风和纬向风的风速变化越来越快。又对比图4和图5可知，17号夜晚的风向为东北风，18号风向也为东北风。东风带来温暖的空气，北风则多带来寒冷的空气。因此由于东风带来的温暖的空气和北风带来的寒冷的空气相互抵消，17号到18号的天气温度变化比较小。不过在同一高度下，18号夜晚天空的北风的平均风速明显低于17号夜晚天空的北风的平均风速，而17号夜晚天空的东风的平均风速和18号夜晚天空的东风的平均风速差不多。所以18号到19号的天气温度变化较大，温度变高。这与17、18和19日的天气图所展示的温度变化相符合。如图6所展示。图6所测日期的天气情况由4图和5图的风速测量结果可知，这三天的风向都是东北风，没有发生很大的变化，因此天气情况一直是比较平稳的晴天。与图6的风向结果也相符合。根据初步测量结果的分析，发现系统探测高度为2至30公里，反演得到的水平风速处于±100米/秒的动态范围内。这表明实验结果符合系统的探测指标，证明了所采用的数据处理方法是可行的[11]。但在在处理过程中没有考虑到气溶胶的影响以及真实大气温度与模拟温度之间的差异可能导致的误差。因此在以后的测量研究中还有改善的空间。6总结本研究利用在海南师范大学内的瑞利多普勒激光雷达设备，对海口地区的大气水平风场进行了探测和分析。分析结果表明，多普勒激光雷达测风技术在风场监测方面具有很巨大的优势，还有着巨大的发展潜力。该技术不仅适用于气象学领域内的风速监测