1研究背景
大氣風(fēng)場信息是一項(xiàng)重要的資源，精確可靠的大氣風(fēng)場測量設(shè)備可提高風(fēng)電可再生能源領(lǐng)域的利用率，改進(jìn)氣候氣象學(xué)模型建立的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)飛行器運(yùn)行的安全性，因此在風(fēng)電、航空航天、氣候氣象、軍事等領(lǐng)域都有著重要的意義。
風(fēng)場信息測量的手段主要分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩大類，傳統(tǒng)的被動(dòng)式測量裝置有風(fēng)速計(jì)、風(fēng)向標(biāo)和探空儀，主動(dòng)式測量裝置有微波雷達(dá)，聲雷達(dá)等。
風(fēng)速儀
風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測量，借助測風(fēng)塔后實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)高度層的風(fēng)場信息檢測，這類傳統(tǒng)裝置易受冰凍天氣影響，測風(fēng)塔的搭建和維護(hù)也需要花費(fèi)大量的人力物力，還存在移動(dòng)困難和前期征地手續(xù)復(fù)雜等問題。
微波雷達(dá)以電磁波作為探測介質(zhì)，由于微波雷達(dá)常用波長主要為厘米波，與大氣中的大尺寸粒子（如云、雨、冰等）相互作用產(chǎn)生回波，無法與大氣中的分子或氣溶膠顆粒產(chǎn)生作用，而晴空時(shí)大氣中大尺寸粒子較少，因此微波雷達(dá)在晴空天氣條件下將出現(xiàn)探測盲區(qū)。
另外，微波雷達(dá)還具備龐大的收發(fā)系統(tǒng)也導(dǎo)致其移動(dòng)困難；聲雷達(dá)與微波雷達(dá)測量原理相似，不同的是將探測介質(zhì)由微波改為了聲波。
聲雷達(dá)的探測方式使得在夜間和高海拔地區(qū)易出現(xiàn)信噪比降低的情況甚至無法測量。
因此，迫切需要補(bǔ)充新型的風(fēng)場測量手段替代傳統(tǒng)測風(fēng)裝置實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)場信息的測量。
2測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)
各類風(fēng)場探測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
2015年，南京牧鐳激光科技有限公司成功研制出國產(chǎn)化測風(fēng)激光雷達(dá)產(chǎn)品Molas B300，該產(chǎn)品基于多普勒原理可實(shí)現(xiàn)40～300 m風(fēng)場信息測量，風(fēng)速測量精度可達(dá)0.1 m/s，風(fēng)向測量精度可達(dá)1°，數(shù)據(jù)更新率為1 Hz，風(fēng)速測量范圍可達(dá)0～60 m/s。
測風(fēng)激光雷達(dá)定位為外場應(yīng)用裝備，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性有較高要求，Molas B300可在外界溫度范圍為-40℃～50℃，相對(duì)濕度為0%～100%的環(huán)境條件下正常工作。
除此以外，Molas B300體積小質(zhì)量輕（約50 kg）方便運(yùn)輸安裝便捷，可顯著降低項(xiàng)目前期施工時(shí)間。
測風(fēng)激光雷達(dá)采用激光作為探測介質(zhì)，可與空氣中微小顆粒發(fā)生相互作用，具有時(shí)空分辨率高、自動(dòng)化程度高、安裝簡單易維護(hù)、移動(dòng)便攜性好等優(yōu)勢，可有效提高項(xiàng)目實(shí)施效率，因此成為了最具前景的風(fēng)場信息測量手段。
測風(fēng)激光雷達(dá)Molas B300
測風(fēng)激光雷達(dá)原理圖
如圖其基本原理為：光纖激光器產(chǎn)生的信號(hào)光通過光學(xué)天線和掃描機(jī)構(gòu)發(fā)射到待測空氣中，脈沖激光與大氣中的氣溶膠顆粒相互作用產(chǎn)生攜帶其速度信息的后向散射信號(hào)。
由多普勒原理可知，回波信號(hào)的多普勒頻移fd與氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)速度（即風(fēng)速）成正比，因此，光學(xué)天線接受到的后向散射信號(hào)通過和系統(tǒng)內(nèi)光纖激光器產(chǎn)生的本振光拍頻進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，即可進(jìn)行算法處理得到待測目標(biāo)的風(fēng)場信息。
測試現(xiàn)場圖
上圖為某地實(shí)際測試現(xiàn)場圖，Molas B300為風(fēng)電場提供前期微觀選址服務(wù)，觀測數(shù)據(jù)用于評(píng)估該區(qū)域風(fēng)資源儲(chǔ)量，為風(fēng)電場設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。
回波信號(hào)頻譜圖
上圖為實(shí)際測試時(shí)獲取第七方位角的回波信號(hào)頻譜圖，峰值處即為發(fā)射信號(hào)與氣溶膠顆粒相互作用產(chǎn)生攜帶風(fēng)速信息的回波信號(hào)，通過提取多普勒頻移即可計(jì)算出當(dāng)前方位的視向風(fēng)速，從而根據(jù)風(fēng)速反演算法推出該點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向等信息。Molas B300可同時(shí)提供40～300 m內(nèi)用戶自定義12個(gè)高度層的風(fēng)速風(fēng)向信息。
實(shí)測風(fēng)廓線
上圖為實(shí)測風(fēng)廓線圖，可通過風(fēng)廓線直觀地觀測到不同高度層風(fēng)速的變化。
Molas B300軟件控制界面
上圖為Molas B300客戶端軟件界面，該界面可實(shí)時(shí)顯示實(shí)測風(fēng)廓線、風(fēng)向廓線以及雷達(dá)工作狀態(tài)、位置信息、方向信息等基本情況，用戶登錄客戶端還可實(shí)現(xiàn)測風(fēng)激光雷達(dá)遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)下載數(shù)據(jù)等功能。
3測風(fēng)激光雷達(dá)在風(fēng)電場的應(yīng)用
在風(fēng)電可再生能源領(lǐng)域，測風(fēng)激光雷達(dá)可用于風(fēng)電場前期微觀選址、風(fēng)功率曲線測試、風(fēng)電場后評(píng)估等需要精確風(fēng)場信息的階段。
前期選址
目前，風(fēng)電行業(yè)普遍采用的測風(fēng)設(shè)備是風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)。在風(fēng)電場前期選址的過程中，通常通過樹立測風(fēng)塔來獲取觀測數(shù)據(jù)以評(píng)估該區(qū)域的風(fēng)能儲(chǔ)量，但隨著風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)的迅速推進(jìn)，越來越多項(xiàng)目開始向地形復(fù)雜地區(qū)延伸，這種情況下使用測風(fēng)塔導(dǎo)致的問題則愈加凸顯。
首先，復(fù)雜地形區(qū)域測風(fēng)塔材料的運(yùn)輸更加困難；其次，搭建測風(fēng)塔對(duì)施工地點(diǎn)要求較高。而測風(fēng)激光雷達(dá)自動(dòng)化程度高，移動(dòng)便攜性好，設(shè)備安裝快速簡單，可顯著降低項(xiàng)目施工實(shí)施時(shí)間，有效提高項(xiàng)目實(shí)施效率。
測風(fēng)激光雷達(dá)Molas B300微觀選址測風(fēng)服務(wù)
風(fēng)功率曲線測試
風(fēng)電場廣泛使用的測風(fēng)塔多為80 m，傳統(tǒng)通過測風(fēng)塔實(shí)現(xiàn)風(fēng)功率曲線測試需要經(jīng)過外推法計(jì)算輪轂高度處的風(fēng)速，而功率曲線的評(píng)估對(duì)風(fēng)速精度的要求很高，0.1 m/s的風(fēng)速誤差都將給風(fēng)電場帶來巨大的損失。而測風(fēng)激光雷達(dá)可直接測量40 m至300 m處的風(fēng)速，從原理上來說，測風(fēng)激光雷達(dá)為主動(dòng)式遙感探測技術(shù)，風(fēng)速由激光直接測量獲得，應(yīng)具有更高的準(zhǔn)確度。
2017年3月，IEC出臺(tái)的新標(biāo)準(zhǔn)——IEC 61400-12-1:2017已接納測風(fēng)激光雷達(dá)作為風(fēng)場信息測量裝置，為風(fēng)電場進(jìn)行風(fēng)功率曲線測試和風(fēng)資源評(píng)估，并為激光雷達(dá)的應(yīng)用提供具有指導(dǎo)意義的技術(shù)基礎(chǔ)。因此測風(fēng)激光雷達(dá)代替?zhèn)鹘y(tǒng)測風(fēng)塔進(jìn)行風(fēng)電場功率曲線預(yù)測具有直接的經(jīng)濟(jì)效益。
風(fēng)電場后評(píng)估
風(fēng)電場后評(píng)估主要用于評(píng)估項(xiàng)目建成后是否達(dá)到設(shè)計(jì)發(fā)電能力，通常需要補(bǔ)測大量風(fēng)場數(shù)據(jù)，有時(shí)補(bǔ)測數(shù)據(jù)的地方前期并沒有樹立測風(fēng)塔，若重新樹立測風(fēng)塔將耗費(fèi)大量時(shí)間，而采用測風(fēng)激光雷達(dá)可快速便捷地安裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)風(fēng)場數(shù)據(jù)的測量。
4測風(fēng)激光雷達(dá)的其他應(yīng)用
航空航天領(lǐng)域
在航空航天領(lǐng)域，低空風(fēng)場中的風(fēng)切變是飛機(jī)失事的主要原因，精確掌握飛機(jī)下滑道的風(fēng)場信息可避免飛機(jī)起降時(shí)風(fēng)切變引發(fā)的事故，加強(qiáng)航空飛行的安全性，提高機(jī)場吞吐量。
測風(fēng)激光雷達(dá)配備三維掃描頭可實(shí)現(xiàn)下滑道掃描，實(shí)時(shí)監(jiān)測下滑道風(fēng)場信息的變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變預(yù)警。
美國Lockhead-Martin公司從2002年進(jìn)入該領(lǐng)域，已經(jīng)在香港、東京、大阪、倫敦、紐約、舊金山、拉斯維加斯、法蘭克福、柏林等地機(jī)場安裝了測風(fēng)激光雷達(dá)設(shè)備以提高航空安全，國內(nèi)暫時(shí)沒有機(jī)場安裝測風(fēng)激光雷達(dá)，潛在市場容量巨大。
氣候氣象學(xué)
在氣候氣象學(xué)領(lǐng)域，風(fēng)場信息探測設(shè)備主要有探空儀、風(fēng)廓線雷達(dá)、聲波雷達(dá)等。由于各類儀器均存在一定弊端，測風(fēng)激光雷達(dá)可作為補(bǔ)充測試設(shè)備用于長期業(yè)務(wù)化的風(fēng)場數(shù)據(jù)觀測，保證數(shù)據(jù)的完整性。除此以外，由于測風(fēng)激光雷達(dá)具備較高的時(shí)空分辨率，還可用于優(yōu)化氣候氣象學(xué)模型。
軍事安全
在軍事安全領(lǐng)域，炮彈發(fā)射陣地的風(fēng)場對(duì)射擊精度有重要影響，風(fēng)場測量數(shù)據(jù)可用于彈道修正。
在航空母艦和其他的艦船上，機(jī)群的安全起降也依賴于周圍大氣風(fēng)場的精確測量。
在衛(wèi)星、導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，實(shí)時(shí)的風(fēng)場數(shù)據(jù)不僅是成功發(fā)射的安全保障，也是提高發(fā)射成功率和導(dǎo)彈命中率的重要因素。
可以預(yù)見，軍事領(lǐng)域也將成為測風(fēng)激光雷達(dá)巨大的應(yīng)用市場。
5產(chǎn)業(yè)化情況
當(dāng)前，國內(nèi)還鮮有從事激光雷達(dá)商業(yè)化開發(fā)的公司，國外公司的產(chǎn)品在國內(nèi)市場上處于早期推廣階段，售價(jià)較高，而且測風(fēng)激光雷達(dá)屬于資源探測系統(tǒng)，采用國外產(chǎn)品在軍用場合或其他敏感場合存在泄漏國家安全大數(shù)據(jù)的隱患。
牧鐳激光自主研制的測風(fēng)激光雷達(dá)產(chǎn)品Molas B300，已在全國30余處實(shí)現(xiàn)累計(jì)長達(dá)4萬小時(shí)的外場觀測測試，并于2016年底委托風(fēng)電行業(yè)第三方檢測機(jī)構(gòu)——德國WindGuard股份有限公司進(jìn)行認(rèn)證測試，雷達(dá)測量數(shù)據(jù)與國際IEC 標(biāo)準(zhǔn)一類風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)所測數(shù)據(jù)相關(guān)性都高達(dá)0.99以上。
德國WindGuard認(rèn)證測試
Molas B300具有全面的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可提高國家激光雷達(dá)行業(yè)的整體技術(shù)水平和國際競爭力，還可滿足國防、科研等領(lǐng)域用戶的需求，提升整體的研究和應(yīng)用水平，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代。
總結(jié)：隨著激光與光電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，測風(fēng)激光雷達(dá)必將成為風(fēng)場探測相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)革命的推動(dòng)者，為風(fēng)場測量提供更完美的解決方案。
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