激光三维成像体制综述

激光三维成像技术可广泛应用于情报侦察、精确制导、导航避障、目标识别、灾情评估和安全监测等军事和民用领域,是一项目前仍在迅猛发展的前沿技术。目前已经研制和开发出许多种技术体制的激光三维成像技术,各种不同体制的激光三维成像技术有着不同的原理、特点、适用场景和发展趋势。本文将对各种不同体制的激光三维成像技术进行总结,并对其原理和研究状况进行简介。     

相干激光雷达探测目标研究

介绍了相干激光雷达对目标探测的技术优点和现状,阐述了基于相干探测技术构建的激光雷达的主要组成,并给出了整个系统的工作流程。文中基于1.5μm光纤光学技术搭建了相干激光雷达系统。通过搭建的系统进行了外场试验,获得了外场目标的成像图和不同汽车引擎振动产生的微多普勒谱特征图。通过试验证明了相干激光雷达系统可以在目标自动侦察识别方面发挥重要作用。     

瑞利激光雷达探测大气温度算法分析

介绍了瑞利激光雷达的基本结构,描述了使用瑞利散射激光雷达探测平流层和中间层低部大气温度的数据处理方法,构建同时包含标准大气模式温度信息和实际探测背景噪声的模拟数据,对此模拟数据进行背景扣除、平滑去噪、参考点选取等计算分析,探讨提高温度反演精度的实用算法。并应用此数据处理方法对瑞利激光雷达的实际测量数据进行了计算处理,将计算结果与模式CIRJA86、HALOE卫星数据进行对比分析,反演高度30～45km时误差1—3K,45～65km误差大约在2—5K,65—70km误差〈10K。     

机载与地面激光雷达联测大比例尺成图技术研究

较系统地总结了激光雷达测量技术的优势及应用现状,同时提出了机载激光雷达测量技术与地面激光雷达测量技术联合量测的技术体系与实现思路,最后简单介绍了机载与地面激光雷达测量技术联测的工程应用优势及总结。     

Application of simulated lidar scanning patterns to constrained Gaussian turbulence fields for load validation

We demonstrate a method for incorporating wind velocity measurements from multiple‐point scanning lidars into three‐dimensional wind turbulence time series serving as input to wind turbine load simulations. Simulated lidar scanning patterns are implemented by imposing constraints on randomly generated Gaussian turbulence fields in compliance with the Mann model for neutral stability. The expected efficiency of various scanning patterns is estimated by means of the explained variance associated with the constrained field. A numerical study is made using the hawc2 aeroelastic software, whereby the constrained turbulence wind time series serves as input to load simulations on a 10 MW wind turbine model using scanning patterns simulating different lidar technologies—pulsed lidar with one or multiple beams—and continuous‐wave lidars scanning in three different revolving patterns. Based on the results of this study, we assess the influence of the proposed method on the statistical uncertainty in wind turbine extreme and fatigue loads. The main conclusion is that introducing lidar measurements as turbulence constraints in load simulations may bring significant reduction in load and energy production uncertainty, not accounting for any additional uncertainty from real measurements. The constrained turbulence method is most efficient for prediction of energy production and loads governed by the turbulence intensity and the thrust force, while for other load components such as tower base side‐to‐side moment, the achieved reduction in uncertainty is minimal. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

复杂地形下风力机尾流数值模拟研究和激光雷达实验对比

以CFD数值计算和实验相结合的方法,对处于中国西南某多山地区陆上风电场的尾流特性进行研究,验证不同数值方法在复杂地形的适用性。首先采用2台激光雷达,测量目标风力机一个月内的自由来流风速和尾流廓线,在地形上坡加速效应下,不同大气稳定度下目标风力机的自由来流风速廓线均呈负梯度。然后分别采用经典致动盘和改进致动盘法,模拟目标风力机在主风向下的尾流发展。不同于只有风速与压降关系的经典致动盘法,改进致动盘法更考虑了叶片几何和气动参数(尺寸信息、攻角、桨距角、升阻力系数等)。通过与后置激光雷达尾流测试结果对比,这2种基于CFD技术的数值模拟方法,计算网格相同,计算时间相当,且均能较好地模拟因为复杂地形而引起的尾流偏转;其中改进致动盘的尾流形状与激光雷达相似,速度亏损也更接近激光雷达结果。因此,改进致动盘法更适合于复杂地形条件下风场模拟,较好平衡了计算的效率与精度。     

微脉冲激光雷达测量大气水平能见度

为了改进乃至革新大气能见度的探测技术,探索新型、快速、准确测量大气能见度的方法,采用自行研制的能见度微脉冲激光雷达,进行了水平大气能见度测量实验,并同已经商品化的能见度仪NQ-1进行了同步对比测量。实验结果表明,在水平能见度较差时,微脉冲激光雷达和能见度仪具有很高的相关性,相关系数达到了0.88;在水平能见度较好的时候,相关系数保持在0.73以上。说明能见度微脉冲激光雷达系统可以应用于大气能见度的探测。     

532nm激光距离选通成像系统

实现了一套基于532 nm波长的距离选通成像系统,并选择了几种典型环境进行了相应的原理验证实验。采用532 nm的全固态调Q脉冲激光器作为主动照明激光,激光单脉冲能量可以在35~100 mJ之间调节,系统接收望远镜口径为200 mm。采用PIN探测器获得激光脉冲发射时间,并控制目标成像的曝光时刻。成像探测器采用ICCD(intensified CCD),最小曝光时间为2 ns。通过实验对比说明该系统能够在小雨天或者有烟雾的情况下正常工作,但是获得图像的信噪比会有所下降,同时能够在强光背景干扰的环境下获得目标的图像信息。该套系统的原理验证性实验能够为距离选通成像技术的进一步发展提供重要参考。     

瑞利测风激光雷达接收机校准

介绍了直接探测瑞利测风激光雷达工作及风速反演的原理,说明了激光雷达接收机的内部结构及工作情况。为修正雷达接收机中分光片分束比、单光子计数器探测率等参数与设计值的偏差所导致的风速测量误差,提出了随光强变化比较两信号通道的计数值的接收机校准方案。实验测得了校准系数随信号通道信号强度的变化关系。在弱光下该系统两信号通道性能差异小于25%。在当前系统的标准具透过率条件和对称的风场扫描合成方式下,接收机校准只对系统透过率曲线和径向风速的测量有较大影响,对合成风场没有影响。     

一套测量对流层臭氧的差分吸收激光雷达系统

差分吸收激光雷达是探测对流层臭氧分布的一种先进工具。研制了一套车载差分激光雷达系统,系统基于NdYAG四倍频激光和拉曼频移技术产生紫外差分光源,并采用卡塞格林(Cassegrain)型望远镜,利用光栅光谱仪分离四波长的回波信号,使用光子计数和模拟采集相融合的方式采集数据。讨论分析了系统的测量精度并与臭氧探空仪进行了对比验证实验。实验结果表明,两台仪器测量的对流层臭氧具有很好的一致性,证实了车载差分吸收激光雷达系统及臭氧浓度分析软件的可靠性。