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测风雷达

发布时间:2019-07-03 02:56 来源:未知 编辑:admin

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  测风雷达,是用来测量高空风向、风速的雷达。其基本工作方式,是以发射脉冲波和接收从目标返回的脉冲波的方式来跟踪上升且随风飘移的气球,借以测量气球在空间中的运动轨迹来确定各高度上自由大气的风向和水平风速。测风雷达的探测高度可达30km,且不受天气条件限制,但测角精度低于光学经纬仪,设备庞大。中国气象部门使用的是国产701测风雷达。

  测风雷达的基本工作方式,是以发射脉冲波和接收从目标返回的脉冲波的方式来跟踪上升且随风飘移的气球,借以测量气球在空间中的运动轨迹来确定各高度上自由大气的风向和水平风速。

  在气球下悬挂一个能有效反射无线电波的物体即反射靶,根据雷达接收到回波信号的时间来确定气球的距离,以这种方式工作的称为一次雷达。当气球下悬挂的是应答器,在其接到雷达射来的无线电脉冲后,随即发射出一应答脉冲,雷达根据接收到应答脉冲的时间来确定气球的距离,以这种方式工作的称为二次雷达。

  一般在悬挂反射靶或应答器的气球下还同时挂有探空仪,将高空温度、温度和气压等探测数据以无线电信号发回地面。在测风雷达系统中,还包含有接收这类信号的设备。测风雷达对于示踪目标物的位置有较高的测量精度。例如国内普遍使用的国产701型测风雷达,测角精度为0.15—0.2°,测距精度为80m,最大探测距离为200km。

  测风雷达能自动跟踪探空气球。测量以大气高度为函数的风速、风向,并接收处理探空仪探测的温度、湿度、气压等气象要素信息。多普勒激光测风雷达是方兴未艾的1种全新的大气风场探测手段。但是激光测风雷达直接测量的是视线方向上的激光反射光的频移(视线风速)。在这个基础上,激光雷达还必须能够获得多方位的风速数据才能够反演出风场。这就需要相应的光学扫描系统,它在保证发射、接收视场重叠的前提下,控制激光束投射到指定的方向,使激光雷达获得不同视线角度的风速数据。介绍的激光雷达测风系统中的光学

  扫描部分实现了以上要求,在水平旋转和俯仰控制上的精度都达到了0。5°。完全能够满足激光测风系统的实用需要。

  测风雷达系统,可以提供标准和详细的测风数据,可在多个高度对风进行测量,且具有很高的分辨率,测量高度可达200m或更高。WINDCUBE系统广泛应用在各个领域:空气质量输入软件模式,气象短时预报,优化空中交通和减少意外事故的发生,在风能方面可以更好的预报风量。WINDCUBE的研制使LIDAR发展进入新纪元。

  中国最早的59-701测风雷达定型于20世纪60年代末,整体科技水平十分落后。20世纪九十年代,原59-701进行了一系列改造,现代化程度有了一定程度提高。进入二十一世纪,高空探测走向电子化、信息化、高精度、高效率的新时代,古老的701雷达在高科技迅速发展的今天是否还能继续发挥作用。回答是肯定的。1997年,江西省大气探测技术中心701雷达大修改进课题组站在现代计算机技术和电子技术发展的全新角度,打破传统大修模式,应用现代电子技术的设计理念,以信息数字化和微处理技术为核心,寻找到了一条701雷达大修改进的创新之路。1999年由江西大气探测技术中心中心自主研发的701测风雷达大修改进技术通过了中国气象局监测网络司组织的验收,得到了专家的高度评价,认为该技术达到了中国国内同类研究领先水平。克服了技术和经费上的很多困难,依靠团队集体力量,发扬管天为民、追求卓越的江西气象人精神,用有限的人力和物力实现了深入复杂的技术改进,在59-701雷达在高空探测装备换装过程中开拓了一条新路,让701测风雷达在未来探空体系中继续发挥作用提供了可靠的技术支持”。

  半导体激光测风雷达是新型的大气遥感设备,也是唯一能实现三维大气风场遥感观测的有效工具,其工作原理是利用激光收发系统对空气中的粒子散射回波信息进行采集,再通过分析计算这些测量数据,直接得到高分辨率、高精度的实时三维风场数据。解决了严重影响航空安全的航空领域低空风切变检测难题,可以被广泛应用在气象、环保、国防、机场等领域。

  利用自行研制的半导体激光大气采集传感器,结合各种数据处理和伺服控制系统,快速精确、高分辨率地实现了对不同高度的大气风场遥感探测,而且可根据综合数据给出所测空间内的立体大气风场信息,这些大气风场数据可以极大地提高军用及民用区域数值天气预报的准确性、尤其在军用和民用航空领域、地对空等有着广泛的应用前景。

  奥帆赛期间,由中国自主研发的中国国内第一台可移动多普勒测风激光雷达将投入使用,为奥帆赛提供高精度的赛场海表面的风速、风向信息,使用激光雷达测风,这在奥运会历史上尚属首次。同样是由青岛人自主研制的奥帆赛184艘工作艇和5台海上浮标已经提前“入驻”奥帆基地。这些“高科技”都凝聚着青岛科研人员的心血。

  激光一扫可“看清”300公里范围内降水:奥帆赛对气象条件的要求非常高,帆船比赛要求风力持续在3m/s至20m/s之间。在一轮比赛内,若风向摆动大于50°或能见度小于1500米或遇到雷雨等天气,都要停赛。由中国海洋大学和中国电子科技集团第十四研究所联合研制的、造价1000万元的中国第一台车载可移动测风激光雷达投入奥帆赛气象服务后,可以实时观测赛场风的平面分布,激光束一扫,就能探测到300公里范围内的暴雨、冰雹、大面积降水等。测风激光雷达技术用于比赛气象服务,这在百年奥运史上尚属首次。7月29日,记者来到这项技术的诞生地——— 中国海洋大学海洋遥感教育部重点实验室,实验室负责人刘智深教授向记者讲述了研发过程。

  辛苦研发十几年终站到国际前沿:使用激光雷达测风,整个过程只需要两三个人在车内操作就可以,非常便捷。”刘智深教授告诉记者,这样一台小小的设备却凝聚着研究人员十几年的心血。 测风激光雷达是20世纪八十年代发展起来的一项高新技术。在此之前,国际上一般采用气象站、微波技术等方法来测风,但这些方法都不完善:气象站受空间限制较大;微波技术适用于一定范围的波长,在阴雨情况下监测效果较好,遇到晴朗天气效果就会大打折扣。激光雷达可以实现晴空探测,实时提供高精度、高分辨率的大气风场信息,已经成为国际上测量风场的最先进技术。但是目前,只有美国、德国、法国等少数国家掌握这项技术。 从20世纪90年代初,刘智深教授率领的海洋遥感教育部重点实验室就开始瞄准国际前沿,着力于激光雷达测风的课题研究。在国家863项目、国家自然科学基金项目、教育部985项目等项目的大力支持下,技术逐渐成熟。2005年,国家气象局认识到以往的微波技术已经不能满足气象需求,中国海洋大学与中国电子科技集团第十四研究所开始联合研制移动式测风激光雷达。

  奥运史上首用激光雷达测风:开始研制激光测风雷达时,特殊的激光频率控制系统和扫描转镜需要依赖进口,价格十分昂贵,而外国以有军事应有为由,严格限制对亚洲国家的产品出口。经过课题组的艰苦攻关,中国自主研制的设备已经成功应用在测风激光雷达当中,性能优异,成本也大幅降低了。这台设备是中国第一台能够快速、高分辨率测量大气三维立体风场的激光雷达,它能够为帆船比赛提供高精度的海面风场信息,为比赛气象保障服务注入更多科技力量。2006年青岛国际帆船赛期间,研究人员为帆船赛提供了高精度的海面风场信息,可移式测风激光雷达的测量结果与同步测量相控阵声雷达、海面浮标等仪器的测量结果吻合较好,能够为帆船比赛提供更加可靠的气象信息服务。在经过2006、2007两届国际帆船赛的测试后,市气象局将此项高新技术设备应用于奥运会,这也是奥运会历史上首次使用激光雷达技术测风。

  2016年11月16日,从中国科大获悉,该校窦贤康教授课题组夏海云与潘建伟院士课题组张强经过3年合作,在国际上首次研制出单光子频率上转换量子测风激光雷达,实现大气边界层气溶胶和风场的昼夜连续观测。该技术为小型星载激光雷达提供了新思路,为普及高性价比、高稳定性、超小型化的激光雷达奠定了基础。

  精确的大气风场探测,对于数值天气预报、气候模型改进、军事环境预报、生化气体监控、机场风切变预警等具有重大意义。多普勒测风激光雷达被公认为全球大气风场遥感的最佳方法,也是世界气象组织列出的最具挑战性的激光雷达之一。但激光雷达应用的首要前提是人眼安全,由于光学破坏阈值限制和大口径望远镜加工工艺限制,目前传统激光雷达的性能已经达到顶峰。

  去年4月,中国科大首次实现单光子频率上转换的气溶胶激光雷达。今年8月,该校科学家采用全光纤保偏鉴频器对单光子的频移进行测量,利用微弱光源、小口径望远镜在国际上首次实现对大气边界层风场的探测;11月,他们利用时分复用技术,研制出当前集成度最高的量子测风激光雷达,不仅简化了系统结构,还提高了系统稳定性和可靠性,并免于周期性校准。

  窦贤康介绍,这种新型测风激光雷达通过提高光电转化效率和光学集成度,综合抑制探测噪声,实现昼夜连续观测、轻小防振、低功耗、常温环境下运行的全光纤保偏结构的激光雷达系统,不仅能监测大气污染状态、实时发现大气污染源,还能对雾霾的形成和演化进行预报,且适合在机载、舰载、星载等平台的恶劣环境下运行。

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