走航式激光雷达

一、试验背景

本次测试是国家自然科学基金共享航次观测，2014 年 5 月，中国海洋大学科学考察船“东方红 2 号”搭载三维扫描型脉冲相干多普勒测风激光雷达，在黄渤海进行海气边界层风场实验。

船载相干多普勒测风激光雷达（加装高精度双天线GPS 惯导）

春季黄渤海航次历时 25 天，分为两个航次：**航次为 2014 年04 月 27 日到 05 月 06 日的南黄海航次，如图 1 点线所示；**航次为 2014 年 05 月 07 日到 05 月 21 日的北黄海-渤海航次，如图 2 点线所示。

相干激光雷达主要实验内容为海面风场观测和风廓线测量。另外， 激光雷达与探空气球在同一地点进行了为期17 天36 个时间段的同步对比观测，并将两者获取的风速数据进行对比印证。

图 1 **航次站位图-“东方红 2 号”考察船春季南黄海航次

图 2 第二航次站位图-“东方红 2 号”考察船春季北黄海-渤海航次

图 3  现场安装图

相干多普勒激光雷达能快速获取风速风向廓线，在观测时，为避免障碍物对观测的干扰，激光雷达安装在相对较高的二层甲板。由于船载平台是非稳定平台，导致激光雷达测量时激光光束的指向与设定方向出现偏差，引起测量风速、风向和大气边界层高度偏差，同时载船本身的运动速度也会叠加到测量的径向速度中，造成风速测量误差，垂直速度对分辨率要求较高，受到船体姿态的影响尤为明显，因此船体航行姿态和海洋涌浪等环境影响不能被忽略，需要对原始数据进行姿态校正。

船载测风激光雷达姿态校正流程

二、雷达走航探测结果及与探空气球对比分析

海上风场测量的常用手段之一是探空气球，是目前各项对比实验比较准确的参考依据。本实验探空气球可获得某时刻比较准确的风廓线信息，将激光雷达风速校正反演结果与探空气球风探测结果进行比对，验证激光雷达的准确性。

2014 年 05 月 09 日 15 时进行了系泊测量，2014 年 05 月 13 日

07 时进行了走航测量，将这两个时刻的激光雷达数据提取出来与探空气球观测的风速、风向进行对比。风速在系泊测量时变化较小，走航测量时修正效果很明显；风向在系泊和走航测量时都有较明显的变化。

图 4、5 为系泊测量的风廓线的结果比对，测量时间为 2014 年05 月 09 日 15 时 52 分，对应站点图位置（37.00°N,122.86°E）。与探空气球对比结果较好。

图 4  船体系泊测量时（2014 年 05 月 09 日 15 时 52 分），2.4km 以下相干激光雷达校正前（蓝线）与探空气球（红线）的风速、风向对比

图 5  船体系泊测量时（2014 年 05 月 09 日 15 时 52 分），2.4km 以下 相干激光雷达校正后（蓝线）与探空气球（红线）的风速、风向对比： (a)风速；(b)风向

图 6、7 所示的是走航测量的风廓线的结果比对，测量时间为 2014 年 05 月 13 日 07 时 44 分，对应站点图位置为（38.93°N,119.75°E）。与探空气球对比结果比较好。

图 6 船体走航测量时（2014 年 05 月 13 日 07 时 44 分），1.8km 以下 相干激光雷达校正前（蓝线）与探空气球（红线）的风速、风向对比： (a)风速；(b)风向

图 7 船体走航测量时（2014 年 05 月 13 日 07 时 44 分），1.8km 以下相干激光雷达校正后（蓝线）与探空气球（红线）的风速风向对比

图 8 测量期间激光雷达与探空气球风速、风向数据的比对散点图

图 9 典型风廓线数据产品