一、試驗背景
本次測試是國家自然科學(xué)基金共享航次觀測,2014 年 5 月,中國海洋大學(xué)科學(xué)考察船“東方紅 2 號”搭載三維掃描型脈沖相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá),在黃渤海進(jìn)行海氣邊界層風(fēng)場實驗。
船載相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)(加裝高精度雙天線GPS 慣導(dǎo))
春季黃渤海航次歷時 25 天,分為兩個航次:**航次為 2014 年04 月 27 日到 05 月 06 日的南黃海航次,如圖 1 點(diǎn)線所示;**航次為 2014 年 05 月 07 日到 05 月 21 日的北黃海-渤海航次,如圖 2 點(diǎn)線所示。
相干激光雷達(dá)主要實驗內(nèi)容為海面風(fēng)場觀測和風(fēng)廓線測量。另外, 激光雷達(dá)與探空氣球在同一地點(diǎn)進(jìn)行了為期17 天36 個時間段的同步對比觀測,并將兩者獲取的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對比印證。
圖 1 **航次站位圖-“東方紅 2 號”考察船春季南黃海航次
圖 2 第二航次站位圖-“東方紅 2 號”考察船春季北黃海-渤海航次
圖 3 現(xiàn)場安裝圖
相干多普勒激光雷達(dá)能快速獲取風(fēng)速風(fēng)向廓線,在觀測時,為避免障礙物對觀測的干擾,激光雷達(dá)安裝在相對較高的二層甲板。由于船載平臺是非穩(wěn)定平臺,導(dǎo)致激光雷達(dá)測量時激光光束的指向與設(shè)定方向出現(xiàn)偏差,引起測量風(fēng)速、風(fēng)向和大氣邊界層高度偏差,同時載船本身的運(yùn)動速度也會疊加到測量的徑向速度中,造成風(fēng)速測量誤差,垂直速度對分辨率要求較高,受到船體姿態(tài)的影響尤為明顯,因此船體航行姿態(tài)和海洋涌浪等環(huán)境影響不能被忽略,需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)校正。
船載測風(fēng)激光雷達(dá)姿態(tài)校正流程
二、雷達(dá)走航探測結(jié)果及與探空氣球?qū)Ρ确治?/span>
海上風(fēng)場測量的常用手段之一是探空氣球,是目前各項對比實驗比較準(zhǔn)確的參考依據(jù)。本實驗探空氣球可獲得某時刻比較準(zhǔn)確的風(fēng)廓線信息,將激光雷達(dá)風(fēng)速校正反演結(jié)果與探空氣球風(fēng)探測結(jié)果進(jìn)行比對,驗證激光雷達(dá)的準(zhǔn)確性。
2014 年 05 月 09 日 15 時進(jìn)行了系泊測量,2014 年 05 月 13 日
07 時進(jìn)行了走航測量,將這兩個時刻的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取出來與探空氣球觀測的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行對比。風(fēng)速在系泊測量時變化較小,走航測量時修正效果很明顯;風(fēng)向在系泊和走航測量時都有較明顯的變化。
圖 4、5 為系泊測量的風(fēng)廓線的結(jié)果比對,測量時間為 2014 年05 月 09 日 15 時 52 分,對應(yīng)站點(diǎn)圖位置(37.00°N,122.86°E)。與探空氣球?qū)Ρ冉Y(jié)果較好。
圖 4 船體系泊測量時(2014 年 05 月 09 日 15 時 52 分),2.4km 以下相干激光雷達(dá)校正前(藍(lán)線)與探空氣球(紅線)的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ?/span>
圖 5 船體系泊測量時(2014 年 05 月 09 日 15 時 52 分),2.4km 以下 相干激光雷達(dá)校正后(藍(lán)線)與探空氣球(紅線)的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ龋?/span> (a)風(fēng)速;(b)風(fēng)向
圖 6、7 所示的是走航測量的風(fēng)廓線的結(jié)果比對,測量時間為 2014 年 05 月 13 日 07 時 44 分,對應(yīng)站點(diǎn)圖位置為(38.93°N,119.75°E)。與探空氣球?qū)Ρ冉Y(jié)果比較好。
圖 6 船體走航測量時(2014 年 05 月 13 日 07 時 44 分),1.8km 以下 相干激光雷達(dá)校正前(藍(lán)線)與探空氣球(紅線)的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ龋?/span> (a)風(fēng)速;(b)風(fēng)向
圖 7 船體走航測量時(2014 年 05 月 13 日 07 時 44 分),1.8km 以下相干激光雷達(dá)校正后(藍(lán)線)與探空氣球(紅線)的風(fēng)速風(fēng)向?qū)Ρ?/span>
圖 8 測量期間激光雷達(dá)與探空氣球風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的比對散點(diǎn)圖
圖 9 典型風(fēng)廓線數(shù)據(jù)產(chǎn)品