1 中电科芯片技术(集团)有限公司, 重庆 401332
2 重庆大学 光电工程学院, 重庆 400044
为了能够在复杂环境下实现风速风向的高精度和高稳定性测量, 在基于声学共振原理的风传感器系统的基础上, 采用闭环控制扫描技术改进了系统的性能指标。采用声学共振的方式, 同时对换能器产生的信号进行频率调制和强度调制, 实现对超声换能器的线型扫描。频率调制解决了在不同压力、温度等环境因素影响下导致的共振频移的问题, 强度调制解决了换能器性能随时间衰减问题, 极大地提高了信噪比。实验结果表明, 采用闭环控制的方法可以准确测量风速风向。风速测量范围0~50 m/s, 风速测量精度为±0.5 m/s(≤15m/s)/±5%(＞15 m/s且＜35 m/s)/±9%(＞35 m/s)。改进后的系统在复杂环境下受环境变化影响小、精度高、稳定性好、抗干扰能力强。
闭环控制 频率调制 线型扫描 共振频移 风速测量 closed-loop control frequency modulation linear scanning resonance frequency shift wind speed measurement
成都师范学院史地与旅游学院, 四川 成都 611130
为研究气象因素对成都市大气细颗粒物 (PM2.5)、可吸入颗粒物 (PM10) 的影响，收集了2015―2018年成都市PM2.5、PM10的月平均浓度，采用Pearson相关分析法，分析了成都市PM2.5、PM10与气象条件的关系。结果表明：(1) 2015―2018年，成都市PM2.5、PM10年平均浓度虽然年际间差别较小，但整体呈现逐年缓慢下降趋势，2015年以来成都市的一系列大气污染控制措施是PM2.5、PM10逐年缓慢下降的原因；2015―2018年成都市PM2.5、PM10浓度季节变化特征整体表现为冬季 > 春季 > 秋季> 夏季。(2) 不同气象因素对成都市PM2.5、PM10月平均浓度的影响程度不同，降水量与气温是影响成都市PM2.5、PM10月平均浓度的主要因素，两者与PM2.5、PM10呈较高的负线性相关，其中PM2.5、PM10与降水量的相关系数均为 -0.612，与月平均气温的相关系数分别为 -0.822、-0.776，降水会通过捕获大气中的颗粒物来去除PM2.5、PM10，而温度的升高会加强PM2.5、PM10等污染物在垂直方向上的对流运动，从而对成都市污染物浓度的降低起到重要作用；日照时数、月平均风速、相对湿度等与PM2.5、PM10月平均浓度整体也呈现负相关，但与降水量和气温相比，日照时数、月平均风速与PM2.5、PM10月平均浓度的相关性较低，而相对湿度与PM2.5、PM10月平均浓度的相关性则更加微弱，表明相对湿度的变化对成都市PM2.5、PM10的积累和扩散影响很小。
细颗粒物 可吸入颗粒物 气温 降水量 风速 fine particulate matter inhalable particles temperature precipitation wind speed
1 北京城市气象研究院, 北京 100089
2 北京市气象探测中心, 北京 100176
利用北京国家基本气象站内多普勒测风激光雷达和 L 波段探空系统在 2020 年 1 月 1 日至 5 月 31 日期间进行了同步观测试验, 在经过观测数据时间和空间匹配的基础上, 以后者测风数据为参照标准, 从探测风廓线的高度、风向和风速三个方面的一致性分析了激光雷达的测风数据质量。结果显示: 在观测试验期间, 激光雷达 56.5% 的观测时间里最大探测高度不低于 2000 m, 2.9% 的观测时间最大探测高度不足 1000 m; 激光雷达探测获取的水平风向、风速与 L 波段探空系统具有较好的一致性, 针对匹配得到的 8491 组对比观测数据, 其风向和风速数据拟合总相关系数分别为 0.965 和 0.986; 总体风向、风速的平均偏差和均方根误差分别为 -1.3° 和 16.1°、0.21 m·s-1 和 1.06 m·s-1; 在 2000 m 以上高度, 由于激光雷达观测数据的信噪比偏弱, 获得可信的观测数据量减少, 会对风向、风速一致性比对造成不利影响。
多普勒测风激光雷达 L 波段探空 风速 风向 Doppler wind lidar L-band radiosonde wind speed wind direction 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 494
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
3 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
使用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月Version 4.10星载激光雷达CALIOP Level 1B和Version 4.20 Level 2的日夜数据反演全球海面风速，选用准同步观测的Version 8.2 AMSR-2的海面风速值进行对比。在前人利用CALIOP无云数据进行海面风速反演的基础上，进一步将透明云层的数据用于风速反演，在明显增加数据量的同时，保持了相当的反演精度。探究不同的海面斜率分布模型的差异对CALIOP海面风速反演的影响，给出了夜间和日间有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型。结果显示，高斯模型整体的误差相对较小，但近似Gram-Charlier模型修正了偏度和峰度的影响，在较低风速（小于3 m·s-1）和较高风速（大于13 m·s-1）情况下表现更好。采用有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型：利用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月的夜间数据反演的标准偏差分别为1.22，1.33，1.20，1.39 m·s-1，相关系数分别为0.92，0.91，0.92，0.90；利用日间数据反演的标准偏差分别为1.41，1.45，1.86，1.69 m·s-1，相关系数分别为0.90，0.89，0.86，0.87。
遥感 星载激光雷达 海面后向散射 海面风速 海面斜率分布 光学学报
2022, 42(18): 1828007
1 安徽省气象局安徽省大气探测技术保障中心, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
利用 2014-2020 年 O3 浓度监测资料和同期自动气象站气象数据, 研究了合肥地表 O3 浓度的日变化和月变化规律, 分析了温度、湿度、风速等气象要素对 O3 浓度的影响。研究结果表明: 合肥地区 O3 浓度具有典型的单峰型日变化特征, 通常在 15:00 左右达到峰值, 在 07:00 左右降至日最低值; 最大 8 h 滑动平均值 (O3-8h) 月均浓度变化呈“M”型, 一般在 6 月和 8 月达到全年最高, 在 1 月和 12 月降为最低; O3-8h 月均最高值是最低值的 2.8~3.7 倍, 平均为 3.1 倍; 受气象要素影响, O3 浓度年变化规律与温度基本一致, 与湿度的变化趋势关系不明显。
臭氧 温度 湿度 风速 相关 ozone temperature humidity wind speed correlation 大气与环境光学学报
2022, 17(2): 205
1 青岛华航环境科技有限责任公司，山东 青岛 266000
2 哈尔滨工业大学（深圳），广东 深圳 518055
利用北京首都机场18R-36L、19-01两条跑道南端入口附近的两台相干多普勒测风激光雷达的RHI扫描模式探测风速数据，分别计算在不同的风速、风向区间内两条跑道及其南下滑道区域600 m高度下各高度层的径向风速平均偏差。结果表明：在西北大风背景下，18R-36L跑道上空风速与同高度风速对比有偏小现象，这与在相同背景风条件下三条跑道接地带区域观测到的风速特征相吻合。另外风速偏小现象在300°～330°风向区间最显著，且偏差最小值区域出现在18R跑道入口附近。通过风切变强度因子进一步统计在西北大风条件下36L和01跑道下滑道区域风切变发生的强度及位置。统计表明：36L跑道的风切变频次及强度整体高于01跑道，其中300°～330°风向区间两条跑道的风切变事件发生最频繁，且顺风风切变频次明显高于逆风风切变频次，但逆风风切变发生的高度比顺风风切变发生的高度要低。
测风激光雷达 风速偏差 低空风切变 统计分析 wind lidar wind speed deviation low-level wind shear statistic analysis 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210119
1 齐鲁工业大学（山东省科学院），激光研究所，山东 济南 250103
2 山东微感光电子有限公司，山东 济南 250103
3 广东感芯激光科技有限公司，广东 佛山 528226
我国煤矿工作条件复杂，存在瓦斯爆炸、火灾、设备故障、次生火灾等安全隐患。光纤/激光传感器以其无源、本质安全的特性，以及高精度、低漂移等性能，在煤矿安全领域具有传统电子类传感器无法比拟的优势。本文介绍了激光甲烷、一氧化碳等气体传感器，光纤光栅风速传感器和光纤分布式温度传感器的研究进展，及其在智能矿山建设中的煤矿瓦斯监控、智能防火和安全监测预警等典型应用。
激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1306016
1 中国科学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
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 盐城师范学院物理与电子工程学院, 江苏省智能光电器件与测控工程研究中心, 江苏 盐城 224002
4 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
为了研制探测中高层风场的瑞利-米散射多普勒激光雷达系统,前期在实验室搭建了一套基于三通道法布里-珀罗干涉仪(FPI)的532 nm瑞利-米多普勒激光雷达验证系统,并进行实际比对实验。利用验证系统,首先开展了FPI透过率校准实验,采用非线性拟合方法获得了三个通道FPI实际透过率曲线,FPI-1、FPI-2和FPI-L的谱宽分别为1.20 GHz、1.22 GHz、1.18 GHz,峰值透过率分别为0.817、0.807、0.768,FPI-1和FPI-2及FPI-1和FPI-L的峰峰间隔分别为3.91 GHz和1.25 GHz,并进一步给出了米散射和瑞利散射信号入射时系统实际的风速探测灵敏度。其次,开展了径向风速连续观测实验和水平风场对比观测实验。实验结果表明:在单次径向风速测量中,时空分辨率为2 min和75 m的情况下,系统白天和晚间分别具备10 km和16 km左右高度的风场探测能力。在白天2.7~10 km、晚间1.5~10 km高度范围内,系统测得的水平风场数据与探空气球测得的水平风场数据吻合度较高,晚间70.8%的水平风速和风向数据偏差小于2 m/s和10°;95%的水平风速和风向数据偏差小于5 m/s和15°,充分验证了系统风场测量结果的准确性。
遥感 多普勒激光雷达 大气风速测量 法布里-珀罗干涉仪 瑞利-米散射 中国激光
2020, 47(12): 1210001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
提出了一种基于遗传算法进行频谱估计的相干多普勒测风激光雷达三维风场反演方法。该方法无需对视向风速进行计算,可以直接从多方位频谱密度中提取三维风场信息,能够提高弱信噪比情况下的数据反演精度。采用的遗传算法为针对相干激光雷达改进的遗传算法,能够准确、快速、并行地反演出风矢量解。对算法进行了仿真,结果显示,改进后的遗传算法在收敛速度以及全局寻优能力方面相对于传统遗传算法都有着明显提升,并且在低信噪比信号仿真对比中,此方法风场反演结果优于传统非线性最小二乘法反演结果。将该方法应用于实际雷达系统中,在激光雷达与探空气球实测数据对比中,两者水平风速均方根误差小于0.7 m/s,水平风向标准偏差小于6°,这些结果验证了风场反演结果的精确性。将采用所提方法得到的结果与实测数据最小二乘法风场反演结果进行对比,发现在当时的大气条件下,频谱估计法约有12.3%的探测距离的增大。仿真和实测数据对比结果充分证明了此方法反演三维风场的能力和有效性。
遥感 风场测量 相干多普勒测风激光雷达 遗传算法 频谱估计
1 衢州学院 浙江省空气动力装备技术重点实验室, 浙江 衢州 324000
2 浙江大学 浙江省三维打印工艺与装备重点实验, 浙江 杭州 310027
3 浙江永力达数控科技股份有限公司, 浙江 衢州 324000
针对数控机床主轴-立柱系统因受热变形而影响机床加工精度的问题, 本文基于能量守恒定律建立了主轴-立柱系统耦合分析模型来获取其热态特性。该模型综合考虑了热源计算、传热系数计算、结构约束以及散热面放置情况等因素, 并采用风速法来获取主轴与空气间的传热系数。为了验证主轴-立柱系统耦合分析模型的有效性, 本文设计并搭建了数控机床热态特性试验平台, 以具体数控机床为研究对象获得了其主轴-立柱系统的温度场分布、热变形以及热平衡时间等热态特性。试验结果表明: 各测点数据中温度的最长绝对误差和最大相对误差分别为0.71 ℃, 294%, 出现在主轴体的测点处, 热变形的绝对误差和相对误差分别为1.49 μm, 8.71%, 采用风速法建立的主轴-立柱系统耦合分析模型所获得的热态特性与试验获得的结果基本一致。本文的研究成果为数控机床减少热误差, 提高精度保持性提供了参考。
数控机床 主轴-立柱系统 风速法 耦合分析 热态特性 精度保持性 CNC machine tool spindle-column system wind speed method coupling analysis thermal characteristics accuracy retention
