01 背景介紹

風(fēng)場(chǎng)測(cè)量在提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性、保障交通安全、優(yōu)化風(fēng)能利用、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)防災(zāi)、規(guī)劃城市建設(shè)和保護(hù)環(huán)境等方面起著至關(guān)重要的作用。但由于早期使用的探空氣球、測(cè)風(fēng)塔、聲雷達(dá)和微波風(fēng)廓線雷達(dá)等設(shè)備，存在無(wú)法連續(xù)監(jiān)測(cè)風(fēng)場(chǎng)、探測(cè)距離短、分辨率低且體積大等問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)代氣象對(duì)精確連續(xù)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的需求。

相干多普勒激光雷達(dá)的工作原理是通過(guò)利用激光與大氣中氣溶膠粒子產(chǎn)生的多普勒頻移效應(yīng)來(lái)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向，是一種基于相干探測(cè)的測(cè)風(fēng)技術(shù)，該技術(shù)具有體積小，風(fēng)場(chǎng)測(cè)量精度高，時(shí)間和空間分辨率出色等特點(diǎn)。和傳統(tǒng)的微波測(cè)風(fēng)雷達(dá)相比，特別是在晴空風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速測(cè)量例如晴空湍流領(lǐng)域，其有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)闅庀蟊O(jiān)測(cè)、風(fēng)能開(kāi)發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域提供重要數(shù)據(jù)支持。

02 運(yùn)作原理

相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)通常由高穩(wěn)定性的激光發(fā)射系統(tǒng)、高效的光學(xué)接收系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，以及三維掃描裝置四個(gè)主要功能單元組成。相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)通過(guò)高穩(wěn)定性的激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射窄線寬激光脈沖，這些脈沖與大氣中的氣溶膠粒子相互作用后產(chǎn)生散射光，被高效的光學(xué)接收系統(tǒng)捕獲；高速數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集和數(shù)字化處理這些信號(hào)，而三維掃描裝置則調(diào)整激光束的方向以實(shí)現(xiàn)空間掃描，最終，這些單元協(xié)同工作，通過(guò)分析多普勒頻移效應(yīng)，精確測(cè)量并提供大氣風(fēng)場(chǎng)的三維分布信息。

▲相干多普勒激光雷達(dá)原理圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中重要一環(huán)，負(fù)責(zé)捕獲并數(shù)字化激光與氣溶膠相互作用后的散射光信號(hào)。它通過(guò)濾波、放大等預(yù)處理步驟提升信號(hào)質(zhì)量，并運(yùn)用FFT分析多普勒頻移，以計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向。系統(tǒng)還實(shí)時(shí)記錄、存儲(chǔ)和傳輸處理后的數(shù)據(jù)，以支持氣象監(jiān)測(cè)和風(fēng)能評(píng)估。此外，它能夠控制激光發(fā)射參數(shù)以適應(yīng)不同測(cè)量條件，并監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集過(guò)程，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，并且能夠通過(guò)參數(shù)調(diào)整和算法優(yōu)化提升系統(tǒng)性能，增強(qiáng)測(cè)量的精確性和效率。

03

解決方案

中科采象的相干多普勒激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集解決方案保障了采集信號(hào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性，通過(guò)FPGA的波形數(shù)字化處理算法，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，并能靈活適配各種應(yīng)用需求和場(chǎng)景。方案主要優(yōu)勢(shì)包括：

1. 產(chǎn)品選型豐富：采樣率1-10.4 GSPS，帶寬最高3 GHz，分辨率為12/14/16位，通道數(shù)為2/4通道。

2. 快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸：采用高速PCIe 3.0接口；板載4GB DDR4緩存；豐富的I/O接口。

3. 靈活的數(shù)據(jù)處理方式：可通過(guò)板載FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)FFT、譜數(shù)據(jù)累加等算法，也可直接將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)處理；基于VB.NET、C#、C/C++開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供SDK開(kāi)發(fā)包和API調(diào)用接口，以及豐富的開(kāi)發(fā)案例庫(kù)。

4. 全方位技術(shù)支持和售后服務(wù)：提供免費(fèi)培訓(xùn)資源和技術(shù)咨詢服務(wù)，產(chǎn)品享有3年維保，并支持產(chǎn)品試用，確保用戶無(wú)后顧之憂。

▲激光雷達(dá)檢測(cè)到的對(duì)流天氣下的機(jī)場(chǎng)低空風(fēng)場(chǎng)