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胡文雯
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一、試驗(yàn)背景
本次測(cè)試是國(guó)家自然科學(xué)基金共享航次觀測(cè),2014 年 5 月,中國(guó)海洋大學(xué)科學(xué)考察船“東方紅 2 號(hào)"搭載三維掃描型脈沖相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá),在黃渤海進(jìn)行海氣邊界層風(fēng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。
船載相干多普勒測(cè)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(shí) 25 天,分為兩個(gè)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容為海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)和風(fēng)廓線測(cè)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(gè)時(shí)間段的同步對(duì)比觀測(cè),并將兩者獲取的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比印證。
圖 1 **航次站位圖-“東方紅 2 號(hào)"考察船春季南黃海航次
圖 2 第二航次站位圖-“東方紅 2 號(hào)"考察船春季北黃海-渤海航次
圖 3 現(xiàn)場(chǎng)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(cè)時(shí),為避免障礙物對(duì)觀測(cè)的干擾,激光雷達(dá)安裝在相對(duì)較高的二層甲板。由于船載平臺(tái)是非穩(wěn)定平臺(tái),導(dǎo)致激光雷達(dá)測(cè)量時(shí)激光光束的指向與設(shè)定方向出現(xiàn)偏差,引起測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向和大氣邊界層高度偏差,同時(shí)載船本身的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)疊加到測(cè)量的徑向速度中,造成風(fēng)速測(cè)量誤差,垂直速度對(duì)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(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)校正。
船載測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)姿態(tài)校正流程
二、雷達(dá)走航探測(cè)結(jié)果及與探空氣球?qū)Ρ确治?/span>
海上風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的常用手段之一是探空氣球,是目前各項(xiàng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)比較準(zhǔn)確的參考依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)探空氣球可獲得某時(shí)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(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),驗(yàn)證激光雷達(dá)的準(zhǔn)確性。
2014 年 05 月 09 日 15 時(shí)進(jìn)行了系泊測(cè)量,2014 年 05 月 13 日
07 時(shí)進(jìn)行了走航測(cè)量,將這兩個(gè)時(shí)刻的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取出來(lái)與探空氣球觀測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行對(duì)比。風(fēng)速在系泊測(cè)量時(shí)變化較小,走航測(cè)量時(shí)修正效果很明顯;風(fēng)向在系泊和走航測(cè)量時(shí)都有較明顯的變化。
圖 4、5 為系泊測(cè)量的風(fēng)廓線的結(jié)果比對(duì),測(cè)量時(shí)間為 2014 年05 月 09 日 15 時(shí) 52 分,對(duì)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(cè)量時(shí)(2014 年 05 月 09 日 15 時(shí) 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(cè)量時(shí)(2014 年 05 月 09 日 15 時(shí) 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(cè)量的風(fēng)廓線的結(jié)果比對(duì),測(cè)量時(shí)間為 2014 年 05 月 13 日 07 時(shí) 44 分,對(duì)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(cè)量時(shí)(2014 年 05 月 13 日 07 時(shí) 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(cè)量時(shí)(2014 年 05 月 13 日 07 時(shí) 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(cè)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(duì)散點(diǎn)圖
圖 9 典型風(fēng)廓線數(shù)據(jù)產(chǎn)品