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”
中国海洋大学 信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
速度方位显示(Velocity-Azimuth Display, VAD)方法作为一种基于单部激光雷达和同一高度风场均匀的假设前提来反演风场的通用方法已经在业界得到广泛应用, 但其对激光雷达扫描方位角的范围和径向个数的严格要求在一定程度上影响了激光雷达的测量效率。基于此, 提出了一种基于梯度下降算法的VAD风场反演方法。使用梯度下降算法代替目前VAD中的傅里叶级数展开求解的方法。在分析了算法收敛性影响因素的基础上, 确定了算法迭代步长和迭代次数, 从而改善了算法的收敛性, 提高了运算速度。与标准风杯风速计(IEC 61400-12-1)的同步对比实验结果显示: 该方法在激光雷达扫描范围降低到60°和扫描径向个数降低到7个的情况下, 10 min平均的风速、风向相关系数达到0.99, 风速标准偏差、偏差分别为0.52 m/s和0.02 m/s, 风向的标准偏差和偏差分别为5.1°和3.6°。结果证明了该方法在提高激光雷达测量效率的同时仍能保证其准确性, 具有更强的适用性, 可有效提升系统对于动态大气风场监测能力。
VAD风场反演方法 梯度下降 多普勒激光雷达 VAD Wind retrieval method gradient descent Doppler lidar 红外与激光工程
2018, 47(11): 1106006
中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
提出基于共轭梯度算法的速度方位显示(VAD)风场反演方法，应用最优化理论，将共轭梯度算法代替传统VAD方法中的傅里叶级数展开来求取最优解，并针对算法在风场反演应用时存在不收敛于最优解的问题，使用Hessian矩阵对算法进行了修正。同时开展了多普勒激光雷达与符合IEC 61400-12-1国际标准的高精度风杯风速计的43天对比实验，结果显示，当激光雷达的方位角扫描范围为60°、径向个数为7个时，两者的风速、风向相关系数分别为0.991和0.998，风速、风向标准偏差分别为0.52 m/s和5.1°，风速、风向偏差分别为-0.02 m/s和3.6°。对比实验结果表明，基于共轭梯度算法的VAD风场反演方法使用较小的扫描方位角仍能保证其测量的准确性满足国际标准，具有更强的适用性，同时印证了激光雷达系统的测量性能，为动态复杂风场的监测提供了更佳的选择。
遥感 多普勒激光雷达 速度方位显示 风场反演方法 共轭梯度
1 鲁东大学 物理与光电工程学院, 山东 烟台 264000
2 北京应用气象研究所, 北京 100029
3 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
4 山东科技大学 测绘科学与工程学院, 山东 青岛 266590
通过分析1 550 nm全光纤机载多普勒测风激光雷达系统的测量模式特征, 给出飞机速度校正方法、机载系统风场反演模型和算法, 实现了机载大气三维风场的反演和显示软件。利用机载激光雷达的飞行试验数据, 结合实时测量的小球测风数据, 进行了风场信息的反演和结果的对比印证, 统计4个架次的风廓线测量结果, 两者的水平风速标准偏差小于1.4 m/s, 风向标准偏差小于10°, 相关系数都达到0.95以上, 从实验结果上验证了激光雷达的工作性能和数据反演算法的准确性。
机载 多普勒激光雷达 风场反演 对比测量 airborne Doppler lidar wind retrieval comparison measurement
中国电子科技集团公司 第二十七研究所，河南 郑州 450047
为了解决扫描式测风激光雷达斜上方空域三维风场分布探测的难题，提出采用多点规则采集、四波束分组结算、多区域融和的方式进行观测区域的风场反演。以速度可控的硬目标作为研究对象，通过比较合成后的风速大小与控制速度的差异验证了该反演方式的有效性。通过设计精度试验，对实际风场进行测量。对雷达测量结果与三维超声波风速风向仪测量数据进行对比，结果表明：采用该风场反演技术对距离400 m内的风场进行推算，风向精度优于5°，风速精度优于2 m/s,能够准确描绘探测区域的风场信息。
扫描式测风激光雷达 风场反演 风场分布 四波束 scanning wind lidar wind field inversion wind field distribution four beams
1 西南技术物理研究所,成都 610041
2 成都理工大学 信息管理学院,成都 610059
3 中国人民解放军 63891部队,洛阳 471003
为了提高多普勒激光测风雷达反演风场的速度和精度,采用Newton-Gaussian最小二乘优化方法对风场反演模型进行数值求解,并对Newton-Gaussian法的步长和初值进行讨论和调整,使得此算法的鲁棒性更强,同时也降低了传统速度方位显示反演方法中固有缺陷的影响。将其应用到研制的全光纤多普勒激光测风雷达系统中,实现了对低中空局部风场的反演。结果表明,该算法不但提高了风场反演的速度和精度,而且反演结果更稳定,适合实时计算。
激光技术 风场反演 速度方位显示法 Newton-Gaussian法 多普勒测风激光雷达 laser technique wind field retrieval veloaity azimuth display method Newton-Gaussian method Doppler wind lidar
1 四川大学 电子信息学院，成都 610065
2 西南技术物理研究所，成都 610041
为了弥补激光测风雷达风场反演速度方位显示法的不足、提高反演风速精度，提出了一种改进的方法。运用迭代预处理的方法提高原始雷达数据质量，消除小幅值风速和奇异点的影响，用统计求和平均的方法反演出3维风场；并建立了风场模型，通过数值计算软件进行了仿真和误差分析。结果表明，改进的方法反演出风速的误差不超过0．5m／s，比传统速度方位显示算法的精度提高了1倍。
激光技术 风场反演 速度方位显示法 测风 laser technique inversion wind field velocity azimuth display methods anemology
