【摘要】：在諸多大氣風(fēng)場探測手段中,光纖激光器結(jié)構(gòu)的相干測風(fēng)激光雷達(dá)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、測風(fēng)精度高和時間響應(yīng)快等優(yōu)點,已經(jīng)成為大氣科學(xué)研究、天氣預(yù)警預(yù)報、風(fēng)電場管理,大氣環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域重要的探測工具。相干測風(fēng)激光雷達(dá)的微弱信號探測對風(fēng)速反演算法的估計精度要求嚴(yán)格,需要定量分析風(fēng)速算法估計誤差。論文從多方面研究了相干測風(fēng)激光雷達(dá)的回波信號處理和風(fēng)速反演算法的性能評估,這對于提高風(fēng)速反演算法精度具有重要的參考價值。論文首先介紹了相干測風(fēng)激光雷達(dá)的基本原理,引入了評估相干測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)性能的激光雷達(dá)方程、載噪比,以及天線效率等參數(shù),為后續(xù)的風(fēng)速估計算法比較提供理論依據(jù)。隨后根據(jù)協(xié)方差矩陣回波信號模型與帶湍流擾動的分層結(jié)構(gòu)回波信號模型,通過最大似然估計(ML)、最大似然離散譜峰值估計(ML DSP),以及高斯擬合估計(Gauss)處理不同類型的回波信號,得到表征風(fēng)速估計誤差的估計標(biāo)準(zhǔn)差和探測概率;仿真結(jié)果表明ML估計的性能最好,Gauss估計優(yōu)于MLDSP估計,在寬脈沖寬度情況下風(fēng)速估計算法性能更好,并且大氣湍流嚴(yán)重干擾風(fēng)速估計算法的精確度。利用實驗室搭建的相干測風(fēng)激光雷達(dá)測得的風(fēng)場數(shù)據(jù),分析比較MLDSP估計與Gauss估計的風(fēng)速誤差。結(jié)果表明在低探測距離區(qū)域,Gauss估計性能微弱優(yōu)于對應(yīng)的MLDSP估計;在距離較高的區(qū)域,隨著距離的增加,兩種算法的風(fēng)速誤差差值顯著增大,說明Gauss估計的風(fēng)速精度明顯優(yōu)于MLDSP估計。利用自相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計分析這兩種估計算法,結(jié)果顯示Gauss估計反演得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)在時域變化上更具有穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P407.5
【圖文】：

如今一些新能源科技公司己經(jīng)推出適用于風(fēng)電場評估的商業(yè)激光雷達(dá)產(chǎn)品，逡逑譬如英國的ＺｅｐｈＩＲ公司研制的ＺｅｐｈＩＲ系列產(chǎn)品和法國Ｌｅｏｓｐｈｅｒｅ公司研制的逡逑Ｗｉｎｄｃｕｂｅ系列產(chǎn)品。圖１．１所示為一款Ｗｉｎｄｃｕｂｅ系列的測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)。這逡逑些地基垂直廓線激光雷達(dá)產(chǎn)品為風(fēng)能市場提供高精度風(fēng)速數(shù)據(jù)，減少風(fēng)能資源評逡逑估活動中的水平和垂直不確定性�？紤]到風(fēng)力渦輪機(jī)的尺寸和所能到達(dá)的高度，逡逑激光雷達(dá)能夠?qū)Υ怪狈较虻娘L(fēng)場信息進(jìn)行合理的評估。沿垂直軸風(fēng)速改變的垂直逡逑風(fēng)切變，以及沿垂直軸風(fēng)向改變的垂直風(fēng)轉(zhuǎn)向，是影響風(fēng)電場年均電能產(chǎn)量的兩逡逑個重要因素。受各種因素影響，風(fēng)電場選址現(xiàn)越來越集中分布于離岸區(qū)域，當(dāng)前逡逑地基激光雷達(dá)也可用于掃描海上的風(fēng)能資源評估活動。這一方面可以減少風(fēng)能資逡逑源評估活動的水平不確定性；另一方面相對于海上測風(fēng)塔，能夠大幅度降低成本。逡逑對于當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組運行項目，風(fēng)電場管理者需要了解影響年均電能產(chǎn)量的主要損逡逑耗因素。對這種信息了解越精確，項目進(jìn)展會越順利，而且有更好的經(jīng)濟(jì)效益。逡逑地基激光雷達(dá)作為一種最為合適的風(fēng)場評估手段

勒激光雷達(dá)，在潔凈天氣條件下具有最佳表現(xiàn)，而多普勒微波雷達(dá)只能接收到微逡逑弱信號；反之，當(dāng)降水限制了多普勒激光雷達(dá)觀測的性能時，多普勒微波雷達(dá)具逡逑有最優(yōu)表現(xiàn)。圖１．２所示為香港國際機(jī)場裝配的相干多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)。逡逑邐邐邐邐邐：｜，－邐逡逑＾邋」逡逑圖１．２香港國際機(jī)場的相干多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)逡逑目前，常見的風(fēng)場探測手段有聲波風(fēng)速計、多普勒微波雷達(dá)，風(fēng)廓線雷達(dá)和逡逑激光雷達(dá)。逡逑聲波風(fēng)速計能夠精確測量高湍流風(fēng)場或發(fā)生風(fēng)切變情況下的風(fēng)速和風(fēng)向。其逡逑原理為聲波在空氣中的傳播速度受風(fēng)場的影響，可通過測量聲波在己知距離的兩逡逑點之間傳播時間的變化來逆向推導(dǎo)兩點間風(fēng)速的方法。聲波在空氣中的傳播速度逡逑與不同方向的風(fēng)場速度疊加，當(dāng)聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，合速度呈現(xiàn)兩者相逡逑加；反之，當(dāng)傳播方向與風(fēng)向相反，則合速度為兩者相減。相比機(jī)械式風(fēng)速計，逡逑聲波風(fēng)速計不含可動的機(jī)械部件，有效降低了設(shè)備故障幾率和提高了風(fēng)速測量精逡逑度。正是由于聲波風(fēng)速計的量程寬、響應(yīng)快、精確度高，所以廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、逡逑氣象監(jiān)測、風(fēng)力發(fā)電、航空機(jī)場等相關(guān)領(lǐng)域。逡逑多普勒微波雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于氣象臺站

２ｐｍ的固態(tài)激光器為激光發(fā)射源的相干激光雷達(dá)出現(xiàn)【２１，２２］。更短波長的固態(tài)激逡逑光系統(tǒng)為相千多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)提供更高的后向散射系數(shù)和更高的速度分辨逡逑率。并且如圖１．３所示，１嘩和２ｐｍ正處于大氣窗口，這時的大氣透過率較高，逡逑光束的后向散射強(qiáng)度較高。從２０世紀(jì)８０年代開始，美國相干公司ＣＴＩ研制了基逡逑于ＭＯＰＡ結(jié)構(gòu)的１．０６｜ｉｍ固態(tài)脈沖相干激光雷達(dá)，其脈沖能量為１Ｊ，用于大氣風(fēng)逡逑場測量和硬目標(biāo)探測［２３］。逡逑１．０邐１．４邐１邋６邐１．８邐２Ｄ邐２２邐２邋Ａ邐２邋６逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋（＾ｔｍ）逡逑圖１．３邋０．９－２．７ｎｍ大氣透過率通道逡逑由于１０（ｉｍ的Ｃ0２激光器和ｌ＾ｍ的固態(tài)激光器都不位于１．４＾ｍ至２．６ｐｍ間逡逑人眼安全的工作波長，研制人眼安全的相干測風(fēng)激光雷達(dá)顯得十分有必要。１９８９逡逑年，Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ首次報道了用于風(fēng)場探測的２．１叫脈沖固態(tài)Ｔｍ，Ｈ0：ＹＡＧ相干激逡逑５逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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1 刁偉峰;張鑫;劉繼橋;竹孝鵬;劉源;畢_巢

本文編號：2783505