基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

陈晓敏; 张洪玮; 孙康闻; 吴松华

doi:doi:10.3969/j.issn.1673-6141.2023.01.001

大气与环境光学学报, 2023, 18 (1): 1, 网络出版: 2023-04-17

基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

Inversion methods of slant turbulence parameters based on coherent Doppler lidar

陈晓敏 ¹张洪玮 ¹孙康闻 ¹吴松华 ^1,2,*

作者单位

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

图 & 表

图 1. 算法流程图

Fig. 1. Flow chart of algorithm

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图 2. 2018年12月15日01:41:17的平均风场分布图 (a) 和风速脉动分布图 (b)

Fig. 2. Mean radial velocity (a) and radial velocity fluctuation (b) of wind field at 01:41:17 on 15 December 2018

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图 3. 2018年12月15日01:44:28距激光雷达210 m处的结构函数估计

Fig. 3. Structure function estimation of turbulence at 210 m from the lidar at 01:44:28 on 15 December 2018

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图 4. 机场下滑道湍流观测模式示意图

Fig. 4. Schematic diagram for glide path scanning mode of lidar

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图 5. 2018年12月15日01:38―01:50径向风速分布图

Fig. 5. Distribution of radial wind velocity during 01:38―01:50 on 15 December 2018

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图 6. 2018年12月15日01:38―01:50 ε^1/3的空间位置分布图

Fig. 6. Spatiotemporal distributions of ε^1/3during 01:38―01:50 on 15 December 2018

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图 7. 2018年12月15日02:22―02:35径向风速分布图

Fig. 7. Distribution of the radial wind velocity during 02:22―02:35 on 15 December 2018

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图 8. 2018年12月15日02:22―02:35 ε^1/3的空间位置分布图

Fig. 8. Spatiotemporal distributions of ε^1/3 during 02:22―02:35 on 15 December 2018

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图 9. 2018年12月15日01:42:53逆风廓线 (a) 与ε^1/3空间分布 (b) 以及02:30:51逆风廓线 (c) 与ε^1/3空间分布 (d)

Fig. 9. Headwind profile (a) and spatiotemporal distributions of ε^1/3 (b) at 01:42:53, headwind profile (c) and spatiotemporal distributions of ε^1/3 (d) at 02:30:51 on 15 December 2018

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图 10. 2018年12月15日 01:38―01:50 (a) 和02:18―02:38 (b) 时段的ε^1/3与风切变强度对比

Fig. 10. Comparison of ε^1/3 and I^1/3 during 01:38―01:50 (a) and 02:18―02:38 (b) on 15 December 2018

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表 1Wind3D 6000-AP相干测风激光雷达技术指标

Table1. Technical specifications of Wind3D 6000-AP coherent wind lidar

System parameters	Value or range	Measurement parameters	Value or range
Wavelength/nm	1550	Radial velocity measurement range/(m·s^-1)	-37.5～37.5
Power consumption/W	< 300	Speed measurement uncertainty/(m·s^-1)	≤ 0.1
Pulse energy/ $μ J$	160	Measurement range/m	40～6000
Pulse width/ns Temporal resolution/s	100(100～200, adjustable) 80	Range resolution/m Wind direction accuracy/(°)	15(15～30, adjustable) ≤ 5

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陈晓敏, 张洪玮, 孙康闻, 吴松华. 基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究[J]. 大气与环境光学学报, 2023, 18(1): 1. Xiaomin CHEN, Hongwei ZHANG, Kangwen SUN, Songhua WU. Inversion methods of slant turbulence parameters based on coherent Doppler lidar[J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2023, 18(1): 1.

基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

图 1. 算法流程图

Fig. 1. Flow chart of algorithm

图 2. 2018年12月15日01:41:17的平均风场分布图 (a) 和风速脉动分布图 (b)

Fig. 2. Mean radial velocity (a) and radial velocity fluctuation (b) of wind field at 01:41:17 on 15 December 2018

图 3. 2018年12月15日01:44:28距激光雷达210 m处的结构函数估计

Fig. 3. Structure function estimation of turbulence at 210 m from the lidar at 01:44:28 on 15 December 2018

图 4. 机场下滑道湍流观测模式示意图

Fig. 4. Schematic diagram for glide path scanning mode of lidar

图 5. 2018年12月15日01:38―01:50径向风速分布图

Fig. 5. Distribution of radial wind velocity during 01:38―01:50 on 15 December 2018

图 6. 2018年12月15日01:38―01:50 ε^1/3的空间位置分布图

Fig. 6. Spatiotemporal distributions of ε^1/3during 01:38―01:50 on 15 December 2018

图 7. 2018年12月15日02:22―02:35径向风速分布图

Fig. 7. Distribution of the radial wind velocity during 02:22―02:35 on 15 December 2018

图 8. 2018年12月15日02:22―02:35 ε^1/3的空间位置分布图

Fig. 8. Spatiotemporal distributions of ε^1/3 during 02:22―02:35 on 15 December 2018

图 9. 2018年12月15日01:42:53逆风廓线 (a) 与ε^1/3空间分布 (b) 以及02:30:51逆风廓线 (c) 与ε^1/3空间分布 (d)

Fig. 9. Headwind profile (a) and spatiotemporal distributions of ε^1/3 (b) at 01:42:53, headwind profile (c) and spatiotemporal distributions of ε^1/3 (d) at 02:30:51 on 15 December 2018

图 10. 2018年12月15日 01:38―01:50 (a) 和02:18―02:38 (b) 时段的ε^1/3与风切变强度对比

Fig. 10. Comparison of ε^1/3 and I^1/3 during 01:38―01:50 (a) and 02:18―02:38 (b) on 15 December 2018

表 1Wind3D 6000-AP相干测风激光雷达技术指标

Table1. Technical specifications of Wind3D 6000-AP coherent wind lidar

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图 2. 2018年12月15日01:41:17的平均风场分布图 (a) 和风速脉动分布图 (b)

Fig. 2. Mean radial velocity (a) and radial velocity fluctuation (b) of wind field at 01:41:17 on 15 December 2018

图 3. 2018年12月15日01:44:28距激光雷达210 m处的结构函数估计

Fig. 3. Structure function estimation of turbulence at 210 m from the lidar at 01:44:28 on 15 December 2018

图 4. 机场下滑道湍流观测模式示意图

Fig. 4. Schematic diagram for glide path scanning mode of lidar

图 5. 2018年12月15日01:38―01:50径向风速分布图

Fig. 5. Distribution of radial wind velocity during 01:38―01:50 on 15 December 2018

图 6. 2018年12月15日01:38―01:50 ε1/3 的空间位置分布图

Fig. 6. Spatiotemporal distributions of ε1/3 during 01:38―01:50 on 15 December 2018

图 7. 2018年12月15日02:22―02:35径向风速分布图

Fig. 7. Distribution of the radial wind velocity during 02:22―02:35 on 15 December 2018

图 8. 2018年12月15日02:22―02:35 ε1/3 的空间位置分布图

Fig. 8. Spatiotemporal distributions of ε1/3 during 02:22―02:35 on 15 December 2018

图 9. 2018年12月15日01:42:53逆风廓线 (a) 与ε1/3空间分布 (b) 以及02:30:51逆风廓线 (c) 与ε1/3 空间分布 (d)

Fig. 9. Headwind profile (a) and spatiotemporal distributions of ε1/3 (b) at 01:42:53, headwind profile (c) and spatiotemporal distributions of ε1/3 (d) at 02:30:51 on 15 December 2018

图 10. 2018年12月15日 01:38―01:50 (a) 和02:18―02:38 (b) 时段的ε1/3 与风切变强度对比

Fig. 10. Comparison of ε1/3 and I1/3 during 01:38―01:50 (a) and 02:18―02:38 (b) on 15 December 2018

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Table1. Technical specifications of Wind3D 6000-AP coherent wind lidar

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图 6. 2018年12月15日01:38―01:50 ε^1/3的空间位置分布图

Fig. 6. Spatiotemporal distributions of ε^1/3during 01:38―01:50 on 15 December 2018

图 8. 2018年12月15日02:22―02:35 ε^1/3的空间位置分布图

Fig. 8. Spatiotemporal distributions of ε^1/3 during 02:22―02:35 on 15 December 2018

图 9. 2018年12月15日01:42:53逆风廓线 (a) 与ε^1/3空间分布 (b) 以及02:30:51逆风廓线 (c) 与ε^1/3空间分布 (d)

Fig. 9. Headwind profile (a) and spatiotemporal distributions of ε^1/3 (b) at 01:42:53, headwind profile (c) and spatiotemporal distributions of ε^1/3 (d) at 02:30:51 on 15 December 2018

图 10. 2018年12月15日 01:38―01:50 (a) 和02:18―02:38 (b) 时段的ε^1/3与风切变强度对比

Fig. 10. Comparison of ε^1/3 and I^1/3 during 01:38―01:50 (a) and 02:18―02:38 (b) on 15 December 2018