Author Affiliations
Abstract
1 Aerospace Laser Technology and Systems Department, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Shanghai Typhoon Institute, China Meteorological Administration, Shanghai 200030, China
A method of spectrum estimation based on the genetic simulated annealing (GSA) algorithm is proposed, which is applied to retrieve the three-dimensional wind field of typhoon Nangka observed by our research group. Compared to the genetic algorithm (GA), the GSA algorithm not only extends the detection range and guarantees the accuracy of retrieval results but also demonstrates a faster retrieval speed. Experimental results indicate that both the GA and GSA algorithms can enhance the detection range by 35% more than the least squares method. However, the convergence speed of the GSA algorithm is 17 times faster than that of the GA, which is more beneficial for real-time data processing.
coherent Doppler lidar three-dimensional wind field retrieval genetic simulated annealing algorithm spectrum estimation typhoon Chinese Optics Letters
2024, 22(4): 040101
1 广州市突发事件预警信息发布中心, 广东 广州 511430
2 广州市气象台, 广东 广州 511430
3 广州市黄埔区气象局, 广东 广州 510700
4 广州市气象局观测预报处, 广东 广州 511430
5 安徽蓝科信息科技有限公司, 安徽 合肥 230031
6 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
7 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230000
精确观测大气风场在气象、**、航空航天等领域具有十分重要的意义。相干测风激光雷达能够实时有效地进行大气矢量风场探测。为此研制出一款基于多普勒原理的相干测风激光雷达，并进行外场观测验证了其性能。该系统可探测垂直上空45～3000 m的水平风场以及垂直气流，最大可探测风速为60 m/s。分析比对了该雷达于2021年10月16日08：00―20日00：00在广州市黄埔区气象局观测的数据与同时段同地点微波风廓线雷达的观测数据，结果表明二者具有良好的一致性。重点分析了2021年10月18日10：00―20日00：00的典型观测数据，进一步验证了该相干测风激光雷达所测数据的准确性。该雷达在风场探测上的应用将为气象参数监测和预报精度的提高以及极端灾害性天气的预警提供实时数据支撑。
激光雷达 多普勒 相干测风 风场比对 lidar Doppler coherent wind measurement wind profile comparison
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
报道了基于光纤-固体混合放大的百纳秒脉冲宽度单频大能量1064 nm激光光源的研究工作。采用1064 nm分布反馈（DFB）半导体激光器作为单频连续种子光光源，采用声光调制器将种子光整形为脉冲宽度约为149.0 ns的洛伦兹波形脉冲光，重复频率为60 Hz，经过级联的全保偏光纤放大器放大后，获得单脉冲能量约为2.1 μJ、脉冲宽度约为216.7 ns的脉冲光输出。固体放大部分采用激光二极管（LD）端面抽运的Nd∶YVO4晶体作为高增益的前放大器进行双程放大，采用LD单侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为预放大器进行双程放大，采用两级LD双侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为功率放大器，最终获得了单脉冲能量为151.4 mJ、脉冲宽度约为267.8 ns的激光输出。采用光学外差法对输出脉冲激光的线宽进行了测试，线宽约为14.2 MHz。研究结果为星载相干测风激光雷达采用1.06 μm的激光光源提供了新的技术路线。
激光器 百纳秒脉宽 单频 大能量 相干测风
光子学报
2023, 52(12): 1201001
1 中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院, 北京 100038
2 郑州航空工业管理学院智能工程学院, 河南郑州 450015
针对无人机拍摄叶片红外图像背景冗余信息较多、拼接精度不高等问题, 本文提出一种基于形态学改进 Chan-Vese分割与局部特征匹配的红外风机叶片图像拼接算法, 首先, 对图像进行中值滤波降噪, 使用形态学运算改进基于 Chan-Vese模型的水平集算法, 生成表达主体的掩膜。基于掩膜去除冗余背景提取局部 Harris特征点; 对掩膜进行二次形态学腐蚀处理, 抑制边界锯齿像素上的伪特征点; 最后, 使用暴力匹配及随机抽样一致(Random Sample Consensus, RANSAC)算法筛选出有效匹配点对, 计算单应性矩阵实现匹配拼接。与传统图像分割下 Harris拼接算法相比, 本文改进后的算法拼接精度有明显提高, 在不同的测试场景下显示出较强鲁棒性。
风力发电机叶片 红外图像拼接 水平集 形态学运算 Harris特征点 wind turbine blades, infrared image stitching, lev
1 巢湖学院电子工程学院， 安徽 合肥238000
2 安徽省气象台，安徽 合肥230031
风场对于天气形势的演变和预报至关重要。基于风云四号A星干涉式大气垂直探测仪（GIIRS）中波通道资料和ERA5风场资料，采用LightGBM进行大气三维风场反演研究。首先，构建模型特征变量。GIIRS通道最优选择采用二步特征选择法：（1）建立GIIRS通道黑名单；（2）采用置换特征重要性（Permutation Feature Importance，PFI）方法选择特征变量，在形成通道最优子集的基础上，构建含有时空信息的特征变量。其次，构建基于LightGBM的三维风场反演方法。最后，基于台风“利奇马”期间的GIIRS加密资料开展了LightGBM超参数优化和相关反演试验。结果表明，相对于ERA5风场资料，测试集中风场U和V分量的均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）分别小于1 m/s和15 m/s。本文中的二步特征选择法能够实现GIIRS通道的动态最优选择。
大气风场反演 特征选择 台风“利奇马” FY-4A/GIIRS FY-4A/GIIRS atmospheric wind field retrieval feature selection LightGBM LightGBM Typhoon “Lekima”
浙江师范大学 精密机械与智能结构研究所，浙江金华321004
针对现有风致振压电俘能器工作风速范围窄、高风速下振幅过大等问题，提出一种可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器，主要由可变形式翼型钝体、悬臂梁以及压电组合梁构成，钝体的弹性翼受风力影响产生形变，从而实现系统振动特性的自我调节，以期提高俘能器的环境适应性。建立了俘能器的COMSOL有限元模型，通过仿真与试验分析了风速对其钝体形状及振动特性的影响，并获得了迎风角和弹性翼厚对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：选取迎风角120°和弹性翼厚0.15 mm时俘能器的工作风速范围达到21 m/s，且当风速小于8 m/s时，弹性翼变形较小，系统以驰振为主，输出电压随风速增加而增大；当风速在8~17 m/s时，弹性翼形变量进一步增大，系统由驰振逐渐向涡振转变，输出电压变化较小；当风速在17~25 m/s时，钝体因弹性翼变形过大呈弯弧状，系统以涡振为主，其振幅被有效控制，输出电压随风速增加而减小；存在匹配电阻为250 kΩ时俘能器所产生的最大输出功率为3.78 mW。因此，该风致振压电俘能器在满足结构可靠、起振风速低及风速范围宽条件下同时可输出较大的电能。
压电俘能器 风致振动 可变形钝体 驰振 涡激振动 piezoelectric energy harvester wind-induced vibration deformable blunt body galloping vortex-induced vibration 光学 精密工程
2023, 31(24): 3570
风廓线雷达作为一种新型测风雷达，能够连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布，具有时空分辨率高、连续性好和实时性好等特点，是进行高空气象探测的重要设备。而雷达数据的质量是决定资料是否能够投入业务使用的基本前提。通过欧洲中期天气预报中心 (ECWMF) 第五代再分析资料 (ERA5) 与气球探空资料比对，验证了ERA5再分析资料在安徽区域的适用性，并利用其对没有气球探空资料的合肥和巢湖两地的风廓线雷达资料进行了评估。结果表明：(1) ERA5再分析资料与气球探空资料显著相关，多项指标均表明ERA5再分析资料可以作为评估基准，利用其对无气球探空资料区域的风廓线雷达进行评估具有可行性；(2) 大气湍流强度对风廓线雷达最大探测高度影响明显，依季节划分最大探测高度分别为春季2.7 km、夏季4.5 km、秋季3.6 km、冬季2 km；(3) 经评估，合肥地区风廓线雷达资料在数据相关性、偏差、均方根误差等方面u分量数据质量好于v分量。依季节划分，数据质量由高到低排序依次是冬、夏、春、秋。其中，春、夏、冬数据质量较好，可以同化入数值预报模式，而秋季v分量数据需要进行偏差订正以及质量控制后再使用。
风廓线雷达 ERA5再分析资料 探空资料 评估方法 wind profile radar ERA5 reanalysis data sounding data evaluation method 大气与环境光学学报
2023, 18(6): 516
1 中国民用航空局 新疆空管局 气象中心,乌鲁木齐 830016
2 成都信息工程大学 大气科学学院 高原大气与环境四川省重点实验室,成都 610225
为了研究低空风切变风场结构,针对乌鲁木齐机场2021-11-26发生的风切变不安全事件,采用FC-Ⅲ型激光测风雷达产品数据,配合美国国家环境预报中心再分析资料和常规气象观测资料进行分析和验证,取得了风切变演变过程的数据。结果表明,该次风切变过程发生在特定的地形风作用下,冷锋前小尺度冷空气造成显著的风向风速变化,东南风急流底部与西北风风带形成倾斜向上的垂直切变区,并引发冷锋型低空风切变; 风切变发生前1 h,乌鲁木齐机场周边出现了风场转换; 平面位置显示模式比航空器报告提前10 min监测到风切变,为东南大风风速骤减区,且风切变区随冷空气渗透西移; 冷空气渗透过程东南大风层变薄西撤;07#跑道附近,正侧风迅速减小且进近过程中伴有风向的大角度转变;冷空气由25#跑道向07#跑道楔形渗透,渗透过程发生在08:30~10:25期间;激光雷达捕捉到该次低空小尺度冷空气活动,分析出冷空气由东北侧进入呈后倾状态的演变过程和结构,并触发了中度风切变预警。这一结果对提高气象服务保障能力是有帮助的。
激光技术 测风激光雷达 低空风切变 飞行安全 风场结构特点 laser technique wind light detection and ranging low-level wind shear flight safety structural characteristics of wind field
吴俊杰 1,2,*徐足音 1,2,3王耀辉 1,2,3杨传军 1,2,3陈明 1,2,3
1 中国民用航空飞行学院 航空气象学院, 广汉 618307
2 中国民用航空飞行学院 民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室, 广汉 618307
3 中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院, 广汉 618307
为了评估相干测风激光雷达在不同扫描模式下探测效能与气象要素之间的联系, 使用2020-08~2021-07期间广汉机场相干测风激光雷达探测数据进行了分析验证。结果表明, 方位角测量模式扫描方式下, 探测距离在3 km之后, 探测效能线性下降,90°扫描时, 500 m后探测效能开始线性下降; 总体探测效能在11月最高, 7月最低; 11月至次年7月呈下降趋势, 7~11月呈上升趋势; 在日落后至日出前的探测效能较低, 在午间探测效能最高; 夏秋季节, 激光雷达探测效能与PM2.5质量浓度呈现正相关, 与降雨量的对数呈负相关。该研究为机场激光雷达识别低空风切变准确度提供了重要的基础保障。
激光技术 探测效能 相干测风激光雷达 PM2.5质量浓度 降雨量 laser technique detection efficiency coherent wind light detection and ranging PM2.5 mass concentrations precipitation
