一、摘要

通過(guò)在全球部署的超過(guò) 1000 臺(tái)已投入使用的激光雷達(dá)系統(tǒng)， vaisala 能夠供風(fēng)廓線、風(fēng)切變、湍流層、云層和邊界層高度以及是否存在氣溶膠等實(shí)時(shí)、關(guān)鍵氣象測(cè)量數(shù)據(jù)和大氣測(cè)量數(shù)據(jù)。船載多普勒激光雷達(dá)測(cè)量有助于填補(bǔ)海洋高時(shí)空風(fēng)廓線的數(shù)據(jù)缺口。在本試驗(yàn)中，一臺(tái)固定于穩(wěn)定平臺(tái)的 windcube200s 掃描多普勒激光雷達(dá)安裝在“嘉庚號(hào)”科考船上，于2021 年 5 月- 2021 年 6 月在南海海域進(jìn)行了試驗(yàn)。本文主要目的是驗(yàn)證船載激光多普勒雷達(dá)測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，驗(yàn)證后處理校正算法的有效性。

我們將激光雷達(dá)的風(fēng)廓線與 GPS 探空儀的風(fēng)廓線測(cè)量進(jìn)行了比較， 激光雷達(dá)與GPS探空測(cè)量表現(xiàn)出很高的一致性，需要說(shuō)明的是探空數(shù)據(jù)是從升空到4km的高度花費(fèi)需要18分鐘左右，而激光雷達(dá)選擇的是相近時(shí)間的平均值，所以有些時(shí)候在風(fēng)場(chǎng)變化很快的時(shí)候會(huì)有不同的測(cè)量結(jié)果。

二、項(xiàng)目介紹

設(shè)備安裝照片如下圖：

三、船載激光雷達(dá)技術(shù)

本系統(tǒng)采用法國(guó)相干多普勒激光雷達(dá)，運(yùn)動(dòng)修正采用主動(dòng)式機(jī)械平衡臺(tái)與軟件后處理修正方法。激光雷達(dá)按照以下程序依次完成測(cè)量： 

1. 激光雷達(dá)在大氣層中發(fā)送紅外脈沖。

2.當(dāng)脈沖穿過(guò)大氣層時(shí)，部分信號(hào)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(zhì)燃燒產(chǎn)生的氣溶膠）影響發(fā)生反向散射。這類(lèi)移動(dòng)的顆粒會(huì)造成在反向散射

輻射中發(fā)生與顆粒的徑向風(fēng)速成正比的頻移（稱(chēng)為“多普勒頻移”）。

3. 僅獲得一次脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)不足以取得良好的信噪比，也無(wú)法正確估計(jì)風(fēng)速。因此，Windcube 激光雷達(dá)系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)送多個(gè)脈沖信號(hào)，該時(shí)間稱(chēng)為積累時(shí)間，對(duì)應(yīng)于激光雷達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。

4.然后激光雷達(dá)將處理反向散射的信號(hào)并計(jì)算徑向風(fēng)速。

相干脈沖式多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)原理

激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)掃描模式

激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)參數(shù)定義

激光測(cè)風(fēng)雷達(dá) Windcube 200S 技術(shù)參數(shù)

3.1 雷達(dá)掃描設(shè)置

掃描類(lèi)型：DBS(多普勒波束掃描)

?  方向參數(shù)

    仰角：62°

?  運(yùn)動(dòng)參數(shù)

    采集時(shí)間：1000ms

    完成1次五波束掃描的運(yùn)行時(shí)間：約13s

?  距離參數(shù)

    分辨率：50m

    測(cè)量點(diǎn)數(shù)：125

    極小高度：100m

    顯示分辨率：50m

    極大高度：6300m

3.2 平衡臺(tái)

3.2.1 平衡臺(tái)功能

通過(guò)將激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)安裝在平衡臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)風(fēng)雷達(dá)在船舶航行過(guò)程中對(duì)船體搖擺的修正，使風(fēng)雷達(dá)保持在相對(duì)穩(wěn)定（傾斜角度在 0.2°范圍內(nèi)）的姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量工作。

3.2.2 平衡臺(tái)工作原理

六自由度運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)采用 Stewart 平臺(tái)結(jié)構(gòu)，通過(guò)六套伺服作動(dòng)器的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)在空間內(nèi)六自由度的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)臺(tái)的工作原理為：操作人員通過(guò)監(jiān)控單元的人機(jī)操作界面對(duì)期望復(fù)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，如平臺(tái)位移、姿態(tài)的波形、幅度、頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳輸給運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)解算（運(yùn)動(dòng)學(xué)位置反解），得出作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)量并生成控制指令，該控制指令由伺服控制單元經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后輸出，驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所期望的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。同時(shí)，伺服控制單元實(shí)時(shí)采集作動(dòng)器的位移、速度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的監(jiān)測(cè)與保護(hù)，并對(duì)各種信息進(jìn)行顯示。

3.2.3 平衡臺(tái)技術(shù)參數(shù)

?  具有空間六個(gè)自由度，能夠滿足用戶試驗(yàn)件設(shè)計(jì)半實(shí)物仿真需求。能夠模擬飛行譜、路譜、海浪譜；單自由度運(yùn)動(dòng)；傾斜試驗(yàn)等六自由度運(yùn)動(dòng)；

?  負(fù)載重量：350Kg；

?  搖擺臺(tái)重量：500Kg；

?  臺(tái)面尺寸：1.1m×1.02m，按用戶要求做連接孔；

?  控制臺(tái)尺寸：寬 0.6m×長(zhǎng) 1.15m×高 1.15m。

1）角度重復(fù)定位精度：±0.1°

2）直線重復(fù)定位精度：±0.1mm

3）運(yùn)動(dòng)頻率范圍：0.01-20Hz。

4）防水等級(jí)：IP67。

3.3 后處理軟件

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)修正和航速航向修正，輸出修正后的 RTD 和 STA 文件

四、數(shù)據(jù)分析

4.1 修正前后數(shù)據(jù)對(duì)比

圖 a 是緯度，圖 b 是經(jīng)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(dòng)較大。圖 e 船體的朝向，變化相對(duì)較小。與事實(shí)情形相符。圖 f 中的藍(lán)線是利用船體朝向修正風(fēng)向后的激光雷達(dá)風(fēng)速，對(duì)于圖 c 船的航速，可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速有相應(yīng)的波動(dòng)。圖 f 中的橙色線，是進(jìn)一步利用船的航速和航向修正后的風(fēng)速，與船速相應(yīng)的波動(dòng)消失。（該結(jié)果非常好，表明修正后的結(jié)果是合理的）

圖 g 是修正后的激光雷達(dá)風(fēng)向，修正后的風(fēng)向變化較平穩(wěn)，沒(méi)有與船相聯(lián)系的變化。該結(jié)果也很好說(shuō)明修正是合理的。

下圖更能說(shuō)明風(fēng)速修正的合理性。黑色是修正前的激光雷達(dá)風(fēng)速，橙色是船的速度，可以看到兩者有顯著的對(duì)于變化，表明船的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致激光雷達(dá)測(cè)量風(fēng)速的變化。藍(lán)色線是修正后的結(jié)果，此時(shí)與船速對(duì)應(yīng)的變化已經(jīng)消失，與事實(shí)吻合。黑色與藍(lán)色對(duì)應(yīng)左側(cè) Y 坐標(biāo)，橙色線對(duì)應(yīng)右側(cè) Y 坐標(biāo)。

4.2 與探空氣球數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2.1風(fēng)廓線對(duì)比

4.2.2 風(fēng)速相關(guān)性對(duì)比

下面為探空每秒數(shù)據(jù)和雷達(dá)十分鐘平均的風(fēng)速數(shù)據(jù)相關(guān)性分析圖

4.2.3 風(fēng)向相關(guān)性對(duì)比

下面為探空每秒數(shù)據(jù)和雷達(dá)十分鐘平均的風(fēng)向數(shù)據(jù)相關(guān)性分析圖

五、信噪比閾值影響

WINDCUBE200s 信噪比（CNR）是激光雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的關(guān)鍵參數(shù)之一，其在出廠時(shí)經(jīng)過(guò)標(biāo)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(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量主要取決于測(cè)量時(shí)的大氣條件（氣溶膠含量等），且 WINDCUBE 系列激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)過(guò)濾為業(yè)務(wù)化運(yùn)行設(shè)計(jì)，指標(biāo)趨嚴(yán)格，進(jìn)而對(duì)采集數(shù)據(jù)的有效性和測(cè)量距離產(chǎn)生一定影響。

參考相關(guān)文獻(xiàn)（doi: 10.1016/j.egypro.2014.07.230）中對(duì)數(shù)據(jù)有效性的分析，如文中截圖所示（見(jiàn)上圖），實(shí)驗(yàn)采用 WINDCUBE100s 型激光雷達(dá)，灰色直線為默認(rèn)信噪比閾值（約-27dB），但激光雷達(dá)測(cè)量有效數(shù)據(jù)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(dá) 甚 至 可 高 于 標(biāo) 稱(chēng) 的 典 型 測(cè) 量 距 離 ，

如上面 WINDCUBE200s 在日本某地 2021 年初的實(shí)例截圖所示，激光雷達(dá)物理分辨率設(shè)置為 100 米，累積時(shí)間為 1 秒，測(cè)量高度已達(dá)到 10 公里以上。

以上 6 張結(jié)果圖所示為本航次中 2021 年 5 月 20 日至 25 日信噪比和測(cè)量高度的分析，綠色直線為本次實(shí)驗(yàn)中 WINDCUBE200s 型激光雷達(dá)的信噪比閾值（約-27dB），黃色直線為供參考的-32dB 閾值?？梢?jiàn)激光雷達(dá)在所有預(yù)設(shè)的高度層（100 米至 6300 米）都采集到了數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量， 數(shù)據(jù)處理中采用了嚴(yán)苛的-27dB 信噪比過(guò)濾上限值。

六、總結(jié)

結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)對(duì)船載激光雷達(dá)水平風(fēng)速測(cè)量有顯著影響。平衡臺(tái)和后處理修正很好的去除了這些影響，數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)標(biāo)。