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“十三五”优秀成果展示——小型激光测风雷达装备及系统

发布者:   来源:   发布时间:2024/3/22 0:00:00   标签:   浏览次数:222

成果评价编号: 中气科成评[2022]211
评价结果: 良好
成果名称: 小型激光测风雷达装备及系统
完成单位: 成都信息工程大学、北京敏视达雷达有限公司
成果形式: 应用研究和技术开发类-设备
研究领域: 综合气象观测
评价年份: 2019
完成人: 张福贵、张国亮、伍波、王海江、吴昊、佘会莲、舒仕江、刘晨、舒毅
成果简介: 依托公益性行业(气象)科研专项支持,通过“产学研”合作研究,采用光纤相干探测技术方法、光学扫描方式和三维扫描装置,提出了一种基于FPGA信号处理框架的滑窗DFT激光信号实时谱处理方法,研制出了小型激光测风雷达装备及系统。通过样机研制、试验优化、性能测试等环节,并经过充分的观测对比试验和应用分析,观测数据准确可靠,较好地提升了激光测风雷达数据的频谱分辨率和距离分辨率。主要产品有:DBS模式风谱、DBS模式廓线、PPI模式下多普勒速度、RHI模式下速度、水平风速色块、水平风风羽、垂直风速色块、载噪比、风羽与载噪比叠加。可满足各行业对空间大气边界层三维风场的精细化探测需求,提升装备完全自主国产化。
(1)该小型激光测风雷达核心光源器件采用全光纤技术设计,采用光纤相干探测装置及相干测速系统设计,为脉冲光纤多普勒测风激光雷达信号探测工程实现和连续光纤多普勒测风激光雷达信号探测工程实现奠定了新的技术基础,对激光雷达探测多普勒测风信号及获取起到了关键性作用; (2)现今国内市场上并没有完整的光学扫描设备,有的零散组件与光学设备的接口不精密无法保证扫描镜的面型精度,而国外相关的激光雷达扫描装置与研制产品无法集成,而且价格昂贵;自主研发的三维光学扫描装置实现了对激光光束进行定向偏转扫描,采用大口径激光光束的全空域偏转和扫描技术,满足了激光雷达对三维空间风场目标的探测需求; (3)发明了一种滑窗DFT用于相干激光测风雷达谱分析方法,提出了一种基于FPGA信号处理框架的滑窗DFT激光信号实时谱处理方法,自主研发的激光测风雷达信号处理器均采用该发明技术,在FPGA的信号处理框架中通过多路FFT核拼接的方式将滑窗谱分析方法应用到谱处理中,并实现了窗宽256点单次滑动128点的滑窗DFT模块,大幅提升激光雷达对低空风场探测数据的频谱分辨率和距离分辨率。 (4)该小型激光测风雷达在满足关键技术要求和产品生成要求的同时实现了整体系统设备体积的小型化和模块化,结构紧凑,具有低功耗、无人值守、易维护等诸多特点。探测范围达50-8000m,径向测风范围可达0-55m/s,径向测风精度优于0.1m/s,探测距离分辨率15/30/60/90/120m五类可设,扫描模式:PPI/RHI/LOS/DBS/GPS五类可选,数据输出频率可自定义。 与传统测风手段相比,该小型激光测风雷达可对风廓线雷达低空风场探测盲区进行有效的补充,可实现对大气边界层三维风场的精细化探测,具有风速风向测量精度更高、风场探测时空分辨率更高、低空风场探测盲区更小等优点;整体技术水平和指标达到国内领先。
自2018年以来该项目成果已经为国内多个重大活动赛事提供了气象保障服务: (1)为2019年湖北“第七届世界军人运动会”精细化气象预报预测、智慧气象服务保障提供了高效的技术支撑;(2)河北崇礼在2019年建设安装该雷达装备及系统,无缝隙弥补了京津及华北地区常规高空探测站网空间密度和时间密度上的不足,极大地提高预报人员对影响京津地区天气系统的诊断、预测能力; (3)面向2021年“陕西全国第十四届运动会和第十一届残疾人运动会暨第八届特殊奥林匹克运动会”,赛事赛会服务的监测时效达到分钟级; (4)为2021年“相约北京”测试活动及2022年“北京冬奥会”精细化气象预报预测研究、智慧气象服务保障及场馆建设气候条件评估等提供支撑。 成果打造了一支激光雷达团队,培养博士2人,培养硕士13人,职称晋升8人,国内外发表论文7篇,授权专利8项,发布气象行业技术标准1项,软件著作3项。该雷达装备及系统在气象保障业务和气象保障服务中对标气象监测精密为各大赛事和运动会的成功举办提供了丰富的垂直廓线产品和有效技术支撑,得到充分肯定。截止到2021年,已产生直接经济效益达到了419.5万元,经济社会效益显著。
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