基于激光雷达脉冲特性的湍流风速估计方法

庄子波; 刘晓宇; 陈星

doi:10.3788/IRLA201847.1106001

基于激光雷达脉冲特性的湍流风速估计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.1106001

1.
中国民航大学飞行技术学院,天津 300300;
2.
中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津 300300;
3.
天津市空管运行规划与安全技术重点实验室,天津 300300

基金项目:

国家自然科学基金民航联合基金（U1433202）

详细信息

作者简介:
庄子波(1980-),男,副教授,硕士,主要从事航空气象方面的研究。Email:zbzhuang@cauc.edu.cn

中图分类号: P412.2

Estimation method of turbulent wind speed based on lidar pulse characteristics

1.
College of Flight Technology,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;
2.
Tianjin Key Laboratory for Advanced Signal Processing,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China;
3.
Tianjin Key Laboratory of Operation Programming &Safety Technology of Air Traffic Management,Tianjin 300300,China

摘要: 提出了一种基于激光脉冲距离权重函数的湍流风场速度估计的方法，可以解决多普勒信息探测晴空湍流风场中精细化的风速测量问题。算法以划分的距离门为单位对速度值进行空间平均，将各距离单元速度与激光脉冲距离权重函数进行卷积运算得到风速的局部估计值。并考虑高斯激光脉冲在湍流风场中的有效空间展宽传输特性，根据直接选取距离门中心位置的速度估计方法和快速的线性平均近似方法的处理过程，引入激光脉冲的传输特性来表达湍流径向风速的统计平均值，以实现湍流风速的测量以及激光雷达在探测湍流上的应用。实验结果表明，在有明显湍流条件的风场环境中，脉冲距离权重方法比线性平均方法在保留真实风场属性的前提下具有相对更小的速度标准差，显示出较好的风速修正效果，提高了激光雷达对湍流风场的测速性能。
- 脉冲激光雷达 /
- 速度空间平均 /
- 湍流风场 /
- 速度估计
Abstract: Based on the distance weight function of laser pulse, the velocity estimation method of turbulent wind field was studied, which can solve the problem of fining wind speed measurement with Doppler information to detection clear air turbulence. The spatial averaging of the velocity values was taken as a unit of the distance gate. The localized estimations of the wind speed were obtained by convolving the distance unit velocity and the laser pulse distance weight function. Considering the transmission characteristics of the Gaussian laser pulse in the turbulent wind field, which included the effective spatial broadening of the laser pulse to realize the measurement of the turbulence velocity and the application of the lidar in the detection of turbulence. According to the direct speed estimation method and the fast linear average approximation method, the transmission characteristic of the laser pulse was introduced to express the statistical mean value of the radial wind speed of the turbulence. The results show that in the wind field with obvious turbulence conditions, while the high precision pulse distance weighting method has a relatively small velocity standard deviation under the premise of preserving the real wind field attribute. It shows good performance in wind speed correction, improves the measuring performance of lidar on turbulent wind field.
- pulse lidar /
- spatial average of velocity /
- turbulence wind field /
- speed estimation

[1]	Hu Xinyan. Detection clear air turbulence with lidar and data processing using EMD[D]. Qingdao:Ocean University of China, 2004. (in Chinese)胡新艳. 晴空湍流激光雷达探测及EMD数据处理[D].青岛:中国海洋大学, 2004.
[2]	Wang Bangxin, Shen Fahua, Sun Dongsong, et al. Beam scanning and wind field measurement of direct-detection Doppler lidar[J]. Infrared and Laser Engineering, 2007, 36(1):69-72. (in Chinese)王邦新, 沈法华, 孙东松, 等. 直接探测多普勒激光雷达的光束扫描和风场测量[J]. 红外与激光工程, 2007, 36(1):69-72.
[3]	Wang C, Xia H, Shangguan M, et al. 1.5m polarization coherent lidar incorporating time-division multiplexing[J]. Optics Express, 2017, 25(17):20663-20674.
[4]	Mycek P, Gaurier B, Germain G, et al. Experimental study of the turbulence intensity effects on marine current turbines behaviour. Part I:One single turbine[J]. Renewable Energy, 2014, 66:729-746.
[5]	Liu Jianhua, Jiang Nan, Wang Zhendong, et al. Multi-scale coherent structures in turbulent boundary layer detected by locally averaged velocity structure functions[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2005, 26(4):456-464. (in Chinese)刘建华, 姜楠, 王振东, 等. 用局部平均速度结构函数检测湍流边界层多尺度相干结构[J]. 应用数学和力学, 2005, 26(4):456-464.
[6]	Frehlich R G, Yadlowsky M J. Performance of mean-frequency estimators for Doppler radar and lidar[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1994, 11(5):1217-1230.
[7]	Frehlich R G, Yadlowsky M J. Performance of mean-frequency estimators for Doppler radar and lidar[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1994, 11(5):1217-1230.
[8]	Zhang Wentao, Zhu Baohua. Reseach on the laser beam through turbulence atmosphere channel[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2007, 36(4):784-787. (in Chinese)张文涛, 朱保华. 大气湍流对激光信号传输影响的研究[J]. 电子科技大学学报, 2007, 36(4):784-787.
[9]	Yang Ruike, Liu Qi, Ma Chunlin. Analysis of the influence of atmospheric turbulence on lidar direct detection[J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(5):137-140. (in Chinese)杨瑞科, 刘琦, 马春林. 大气湍流对直接探测激光雷达性能影响分析[J]. 红外与激光工程, 2008, 37(5):137-140.
[10]	Wong C C, Chan P W, Akaeda K, et al. Calculation of turbulence intensity based on spectrum width data of a Doppler Lidar[C]//Fourth Symposium on Lidar Atmospheric Applications, 2009.
[11]	Hon K K, Chan P W. Application of Lidar-derived eddy dissipation rate profiles in low-level wind shear and turbulence alerts at Hong Kong International Airport[J]. Meteorological Applications, 2014, 21(1):74-85.
[12]	Wu S, Yin J, Li R, et al. Observations and analysis of turbulent wake of wind turbine by coherent Doppler lidar[C]//EPJ Web of Conferences. EDP Sciences, 2016, 119:14007.
[13]	Diao W, Zhang X, Liu J, et al. All fiber pulsed coherent lidar development for wind profiles measurements in boundary layers[J]. Chinese Optics Letters, 2014, 12(7):072801.
[14]	Wang Guocheng, Sun Dongsong, Duan Lianfei, et al. Analysis of factors affecting the data accuracy of Doppler wind lidar[J]. Acta Optical Sinica, 2015, 35(9):0901003. (in Chinese)王国成, 孙东松, 段连飞, 等. 多普勒测风激光雷达风场数据影响因素分析[J]. 光学学报, 2015, 35(9):0901003.
[15]	Frehlich R. Coherent Doppler lidar signal covariance including wind shear and wind turbulence[J]. Applied Optics, 1994, 33(27):6472-6481.
[16]	Shelekhova E A, Shelekhov A P. Numerical model of radial wind velocity in case of Gaussian approximation of range weighting function[C]//17th Coherent Laser Radar Conference. Barcelona, Spain, 2013:17-20.
[17]	Frehlich R, Hannon S M, Henderson S W. Coherent Doppler lidar measurements of wind field statistics[J]. Boundary-Layer Meteorology, 1998, 86(2):233-256.
[18]	Shelekhova E A, Shelekhov A P. Statistics of a coherent lidar signal in a turbulent atmosphere[J]. Optics and Spectroscopy, 2013, 114(2):314-319.
[19]	Wang Jiqiang, Zhang Chunxi, Ma Zongfeng, et al. Cramer-Rao lower bounds of parameter estimation from laser Doppler velocimetry[J]. Chin J Lasers, 2008, 35(9):1419-1422. (in Chinese)王纪强, 张春熹, 马宗峰, 等. 激光多普勒测速参数估计的Cramer-Rao下限[J]. 中国激光, 2008, 35(9):1419-1422.
[20]	Diao Weifeng, Liu Jiqiao, Zhu Xiaopeng, et al. Study of all-fiber coherent Doppler lidar wind profile nonlinear least square retrieval method and validation experiment[J]. Chin J Lasers, 2015, 42(9):0914003. (in Chinese)刁伟峰, 刘继桥, 竹孝鹏, 等. 全光纤相干多普勒激光雷达非线性最小二乘风速反演方法及实验研究[J]. 中国激光, 2015, 42(9):0914003.

[1]	赵英伟, 李湘源, 郑佳兴, 谭文锋. 考虑洋流速度的激光惯导/里程仪标定方法 . 红外与激光工程, 2023, 52(6): 20230142-1-20230142-9. doi: 10.3788/IRLA20230142
[2]	邬淼, 陆俣, 冒添逸, 何伟基, 陈钱. 单光子激光雷达的时间相关多深度估计 . 红外与激光工程, 2022, 51(2): 20210885-1-20210885-9. doi: 10.3788/IRLA20210885
[3]	薛亚飞, 罗子艺, 韩善果, 蔡得涛, 徐望辉, 房卫萍, 刘皓挺. 激光扫描速度对碳钢板表面锈蚀层去除质量的影响 . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20210389-1-20210389-5. doi: 10.3788/IRLA20210389
[4]	张楠, 孙剑峰, 姜鹏, 刘迪, 王鹏辉. 激光雷达场景三维姿态点法向量估计方法 . 红外与激光工程, 2020, 49(1): 0105004-0105004(8). doi: 10.3788/IRLA202049.0105004
[5]	元志安, 王玲, 许可, 邓彬, 刘心溥, 朱家华, 马燕新. 副载波调制脉冲激光雷达水下传输特性研究 . 红外与激光工程, 2020, 49(S2): 20200185-20200185. doi: 10.3788/IRLA20200185
[6]	沈振民, 赵彤, 王云才, 郑永超, 尚卫东, 王冰洁, 李静霞. 混沌脉冲激光雷达水下目标探测 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 406004-0406004(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0406004
[7]	庄子波, 陈星, 台宏达, 宋德龙, 徐丰田, 邢志伟. 双激光雷达的水平风场估计方法 . 红外与激光工程, 2019, 48(10): 1005008-1005008(8). doi: 10.3788/IRLA201948.1005008
[8]	王平春, 陈廷娣, 周安然, 韩飞, 王元祖, 孙东松, 王国成. 基于高斯拟合的相干激光雷达风速估计算法 . 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1230006-1230006(6). doi: 10.3788/IRLA201847.1230006
[9]	周永升, 马勋鹏, 赵一鸣, 李凉海. 相干测风激光雷达微弱信号的频率估计 . 红外与激光工程, 2018, 47(3): 306002-0306002(8). doi: 10.3788/IRLA201847.0306002
[10]	孙俊灵, 马鹏阁, 孙光民, 羊毅. 低信噪比下机载多脉冲激光雷达姿态不敏感性特征提取研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(3): 330002-0330002(9). doi: 10.3788/IRLA201746.0330002
[11]	熊兴隆, 韩永安, 蒋立辉, 陈柏纬, 陈星. 基于速度结构函数的多普勒激光雷达低空湍流预警算法 . 红外与激光工程, 2017, 46(10): 1030005-1030005(7). doi: 10.3788/IRLA201768.1030005
[12]	孙俊灵, 马鹏阁, 孙光民, 金秋春, 羊毅. 基于目标波形模型的多脉冲激光雷达目标信号模拟 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 726006-0726006(7). doi: 10.3788/IRLA201645.0726006
[13]	夏文泽, 韩绍坤, 曹京亚, 王亮, 翟倩. 激光雷达距离估计技术 . 红外与激光工程, 2016, 45(9): 906005-0906005(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0906005
[14]	李永昌, 金龙旭, 武奕楠, 王文华, 吕增明, 韩双丽. 离轴三反大视场空间相机像移速度场模型 . 红外与激光工程, 2016, 45(5): 513001-0513001(7). doi: 10.3788/IRLA201645.0513001
[15]	吕丹, 孙剑峰, 李琦, 王骐. 基于激光雷达距离像的目标3D姿态估计 . 红外与激光工程, 2015, 44(4): 1115-1120.
[16]	范锦彪, 李玺, 徐鹏, 祖静. 高g 值加速度校准激励脉冲的横向激光干涉测量方法 . 红外与激光工程, 2015, 44(2): 497-502.
[17]	刘常杰, 刘洪伟, 郭寅, 刘邈, 张宾, 叶声华. 基于扫描激光雷达的列车速度测量系统 . 红外与激光工程, 2015, 44(1): 285-290.
[18]	孙阳, 薛栋林, 郑立功, 张学军. 基于速度矢量模型的圆轨道空间相机偏流角实时补偿 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2185-2191.
[19]	张明月, 章家保, 杨洪波. 空间傅里叶变换红外光谱仪动镜速度稳定性研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(4): 1240-1246.
[20]	马鹏阁, 金秋春, 柳毅, 齐林. 新型机载多脉冲激光雷达目标信号模拟器 . 红外与激光工程, 2012, 41(8): 2068-2072.

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基于激光雷达脉冲特性的湍流风速估计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.1106001

作者简介:
庄子波(1980-),男,副教授,硕士,主要从事航空气象方面的研究。Email:zbzhuang@cauc.edu.cn

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doi: 10.3788/IRLA201847.1106001

1. 中国民航大学飞行技术学院,天津 300300;

2. 中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津 300300;

3. 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室,天津 300300

作者简介:
庄子波(1980-),男,副教授,硕士,主要从事航空气象方面的研究。Email:zbzhuang@cauc.edu.cn

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doi: 10.3788/IRLA201847.1106001

作者简介: 庄子波(1980-),男,副教授,硕士,主要从事航空气象方面的研究。Email:zbzhuang@cauc.edu.cn

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基于激光雷达脉冲特性的湍流风速估计方法

doi: 10.3788/IRLA201847.1106001

1. 中国民航大学 飞行技术学院,天津 300300; 2. 中国民航大学 天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津 300300; 3. 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室,天津 300300

作者简介: 庄子波(1980-),男,副教授,硕士,主要从事航空气象方面的研究。Email:zbzhuang@cauc.edu.cn

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庄子波(1980-),男,副教授,硕士,主要从事航空气象方面的研究。Email:zbzhuang@cauc.edu.cn

1. 中国民航大学飞行技术学院,天津 300300;

2. 中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室,天津 300300;

3. 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室,天津 300300

作者简介:
庄子波(1980-),男,副教授,硕士,主要从事航空气象方面的研究。Email:zbzhuang@cauc.edu.cn