走航式激光雷達

一、試驗背景

本次測試是國家自然科學(xué)基金共享航次觀測，2014 年 5 月，中國海洋大學(xué)科學(xué)考察船“東方紅 2 號"搭載三維掃描型脈沖相干多普勒測風(fēng)激光雷達，在黃渤海進行海氣邊界層風(fēng)場實驗。

船載相干多普勒測風(fēng)激光雷達（加裝高精度雙天線GPS 慣導(dǎo)）

春季黃渤海航次歷時 25 天，分為兩個航次：**航次為 2014 年04 月 27 日到 05 月 06 日的南黃海航次，如圖 1 點線所示；**航次為 2014 年 05 月 07 日到 05 月 21 日的北黃海-渤海航次，如圖 2 點線所示。

相干激光雷達主要實驗內(nèi)容為海面風(fēng)場觀測和風(fēng)廓線測量。另外， 激光雷達與探空氣球在同一地點進行了為期17 天36 個時間段的同步對比觀測，并將兩者獲取的風(fēng)速數(shù)據(jù)進行對比印證。

圖 1 **航次站位圖-“東方紅 2 號"考察船春季南黃海航次

圖 2 第二航次站位圖-“東方紅 2 號"考察船春季北黃海-渤海航次

圖 3  現(xiàn)場安裝圖

相干多普勒激光雷達能快速獲取風(fēng)速風(fēng)向廓線，在觀測時，為避免障礙物對觀測的干擾，激光雷達安裝在相對較高的二層甲板。由于船載平臺是非穩(wěn)定平臺，導(dǎo)致激光雷達測量時激光光束的指向與設(shè)定方向出現(xiàn)偏差，引起測量風(fēng)速、風(fēng)向和大氣邊界層高度偏差，同時載船本身的運動速度也會疊加到測量的徑向速度中，造成風(fēng)速測量誤差，垂直速度對分辨率要求較高，受到船體姿態(tài)的影響尤為明顯，因此船體航行姿態(tài)和海洋涌浪等環(huán)境影響不能被忽略，需要對原始數(shù)據(jù)進行姿態(tài)校正。

船載測風(fēng)激光雷達姿態(tài)校正流程

二、雷達走航探測結(jié)果及與探空氣球?qū)Ρ确治?/span>

海上風(fēng)場測量的常用手段之一是探空氣球，是目前各項對比實驗比較準確的參考依據(jù)。本實驗探空氣球可獲得某時刻比較準確的風(fēng)廓線信息，將激光雷達風(fēng)速校正反演結(jié)果與探空氣球風(fēng)探測結(jié)果進行比對，驗證激光雷達的準確性。

2014 年 05 月 09 日 15 時進行了系泊測量，2014 年 05 月 13 日

07 時進行了走航測量，將這兩個時刻的激光雷達數(shù)據(jù)提取出來與探空氣球觀測的風(fēng)速、風(fēng)向進行對比。風(fēng)速在系泊測量時變化較小，走航測量時修正效果很明顯；風(fēng)向在系泊和走航測量時都有較明顯的變化。

圖 4、5 為系泊測量的風(fēng)廓線的結(jié)果比對，測量時間為 2014 年05 月 09 日 15 時 52 分，對應(yīng)站點圖位置（37.00°N,122.86°E）。與探空氣球?qū)Ρ冉Y(jié)果較好。

圖 4  船體系泊測量時（2014 年 05 月 09 日 15 時 52 分），2.4km 以下相干激光雷達校正前（藍線）與探空氣球（紅線）的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ?/span>

圖 5  船體系泊測量時（2014 年 05 月 09 日 15 時 52 分），2.4km 以下 相干激光雷達校正后（藍線）與探空氣球（紅線）的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ龋?/span> (a)風(fēng)速；(b)風(fēng)向

圖 6、7 所示的是走航測量的風(fēng)廓線的結(jié)果比對，測量時間為 2014 年 05 月 13 日 07 時 44 分，對應(yīng)站點圖位置為（38.93°N,119.75°E）。與探空氣球?qū)Ρ冉Y(jié)果比較好。

圖 6 船體走航測量時（2014 年 05 月 13 日 07 時 44 分），1.8km 以下 相干激光雷達校正前（藍線）與探空氣球（紅線）的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ龋?/span> (a)風(fēng)速；(b)風(fēng)向

圖 7 船體走航測量時（2014 年 05 月 13 日 07 時 44 分），1.8km 以下相干激光雷達校正后（藍線）與探空氣球（紅線）的風(fēng)速風(fēng)向?qū)Ρ?/span>

圖 8 測量期間激光雷達與探空氣球風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的比對散點圖

圖 9 典型風(fēng)廓線數(shù)據(jù)產(chǎn)品