測風激光雷達系統，讓你更加科學地了解「風」

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1研究背景

大氣風場信息是一項重要的資源，精確可靠的大氣風場測量設備可提高風電可再生能源領域的利用率，改進氣候氣象學模型建立的準確性，增強飛行器運行的安全性，因此在風電、航空航天、氣候氣象、軍事等領域都有著重要的意義。

風場信息測量的手段主要分為被動式和主動式兩大類，傳統的被動式測量裝置有風速計、風向標和探空儀，主動式測量裝置有微波雷達，聲雷達等。

風速儀

風速計和風向標只能實現單點測量，藉助測風塔後實現對應高度層的風場信息檢測，這類傳統裝置易受冰凍天氣影響，測風塔的搭建和維護也需要花費大量的人力物力，還存在移動困難和前期征地手續複雜等問題。

微波雷達以電磁波作為探測介質，由於微波雷達常用波長主要為厘米波，與大氣中的大尺寸粒子（如雲、雨、冰等）相互作用產生回波，無法與大氣中的分子或氣溶膠顆粒產生作用，而晴空時大氣中大尺寸粒子較少，因此微波雷達在晴空天氣條件下將出現探測盲區。

另外，微波雷達還具備龐大的收發系統也導致其移動困難；聲雷達與微波雷達測量原理相似，不同的是將探測介質由微波改為了聲波。

聲雷達的探測方式使得在夜間和高海拔地區易出現信噪比降低的情況甚至無法測量。

因此，迫切需要補充新型的風場測量手段替代傳統測風裝置實現大氣風場信息的測量。

2測風激光雷達系統

各類風場探測技術的優缺點

2015年，南京牧鐳激光科技有限公司成功研製出國產化測風激光雷達產品Molas B300，該產品基於多普勒原理可實現40～300 m風場信息測量，風速測量精度可達0.1 m/s，風向測量精度可達1°，數據更新率為1 Hz，風速測量範圍可達0～60 m/s。

測風激光雷達定位為外場應用裝備，對環境適應性有較高要求，Molas B300可在外界溫度範圍為-40℃～50℃，相對濕度為0%～100%的環境條件下正常工作。

除此以外，Molas B300體積小質量輕（約50 kg）方便運輸安裝便捷，可顯著降低項目前期施工時間。

測風激光雷達採用激光作為探測介質，可與空氣中微小顆粒發生相互作用，具有時空解析度高、自動化程度高、安裝簡單易維護、移動便攜性好等優勢，可有效提高項目實施效率，因此成為了最具前景的風場信息測量手段。

測風激光雷達Molas B300

測風激光雷達原理圖

如圖其基本原理為：光纖激光器產生的信號光通過光學天線和掃描機構發射到待測空氣中，脈衝激光與大氣中的氣溶膠顆粒相互作用產生攜帶其速度信息的後向散射信號。

由多普勒原理可知，回波信號的多普勒頻移fd與氣溶膠顆粒運動速度（即風速）成正比，因此，光學天線接受到的後向散射信號通過和系統內光纖激光器產生的本振光拍頻進行數字解調，即可進行演算法處理得到待測目標的風場信息。

測試現場圖

上圖為某地實際測試現場圖，Molas B300為風電場提供前期微觀選址服務，觀測數據用於評估該區域風資源儲量，為風電場設計提供數據支撐。

回波信號頻譜圖

上圖為實際測試時獲取第七方位角的回波信號頻譜圖，峰值處即為發射信號與氣溶膠顆粒相互作用產生攜帶風速信息的回波信號，通過提取多普勒頻移即可計算出當前方位的視向風速，從而根據風速反演演算法推出該點風速風向等信息。Molas B300可同時提供40～300 m內用戶自定義12個高度層的風速風向信息。

實測風廓線

上圖為實測風廓線圖，可通過風廓線直觀地觀測到不同高度層風速的變化。

Molas B300軟體控制界面

上圖為Molas B300客戶端軟體界面，該界面可實時顯示實測風廓線、風向廓線以及雷達工作狀態、位置信息、方向信息等基本情況，用戶登錄客戶端還可實現測風激光雷達遠程控制，實時下載數據等功能。

3測風激光雷達在風電場的應用

在風電可再生能源領域，測風激光雷達可用於風電場前期微觀選址、風功率曲線測試、風電場後評估等需要精確風場信息的階段。

前期選址

目前，風電行業普遍採用的測風設備是風杯風速計。在風電場前期選址的過程中，通常通過樹立測風塔來獲取觀測數據以評估該區域的風能儲量，但隨著風電項目開發的迅速推進，越來越多項目開始向地形複雜地區延伸，這種情況下使用測風塔導致的問題則愈加凸顯。

首先，複雜地形區域測風塔材料的運輸更加困難；其次，搭建測風塔對施工地點要求較高。而測風激光雷達自動化程度高，移動便攜性好，設備安裝快速簡單，可顯著降低項目施工實施時間，有效提高項目實施效率。

測風激光雷達Molas B300微觀選址測風服務

風功率曲線測試

風電場廣泛使用的測風塔多為80 m，傳統通過測風塔實現風功率曲線測試需要經過外推法計算輪轂高度處的風速，而功率曲線的評估對風速精度的要求很高，0.1 m/s的風速誤差都將給風電場帶來巨大的損失。而測風激光雷達可直接測量40 m至300 m處的風速，從原理上來說，測風激光雷達為主動式遙感探測技術，風速由激光直接測量獲得，應具有更高的準確度。

2017年3月，IEC出台的新標準——IEC 61400-12-1:2017已接納測風激光雷達作為風場信息測量裝置，為風電場進行風功率曲線測試和風資源評估，並為激光雷達的應用提供具有指導意義的技術基礎。因此測風激光雷達代替傳統測風塔進行風電場功率曲線預測具有直接的經濟效益。

風電場後評估

風電場後評估主要用於評估項目建成後是否達到設計發電能力，通常需要補測大量風場數據，有時補測數據的地方前期並沒有樹立測風塔，若重新樹立測風塔將耗費大量時間，而採用測風激光雷達可快速便捷地安裝設備實現風場數據的測量。

4測風激光雷達的其他應用

航空航天領域

在航空航天領域，低空風場中的風切變是飛機失事的主要原因，精確掌握飛機下滑道的風場信息可避免飛機起降時風切變引發的事故，加強航空飛行的安全性，提高機場吞吐量。

測風激光雷達配備三維掃描頭可實現下滑道掃描，實時監測下滑道風場信息的變化，實現風切變預警。

美國Lockhead-Martin公司從2002年進入該領域，已經在香港、東京、大阪、倫敦、紐約、舊金山、拉斯維加斯、法蘭克福、柏林等地機場安裝了測風激光雷達設備以提高航空安全，國內暫時沒有機場安裝測風激光雷達，潛在市場容量巨大。

氣候氣象學

在氣候氣象學領域，風場信息探測設備主要有探空儀、風廓線雷達、聲波雷達等。由於各類儀器均存在一定弊端，測風激光雷達可作為補充測試設備用於長期業務化的風場數據觀測，保證數據的完整性。除此以外，由於測風激光雷達具備較高的時空解析度，還可用於優化氣候氣象學模型。

軍事安全

在軍事安全領域，炮彈發射陣地的風場對射擊精度有重要影響，風場測量數據可用於彈道修正。

在航空母艦和其他的艦船上，機群的安全起降也依賴於周圍大氣風場的精確測量。

在衛星、導彈發射時，實時的風場數據不僅是成功發射的安全保障，也是提高發射成功率和導彈命中率的重要因素。

可以預見，軍事領域也將成為測風激光雷達巨大的應用市場。

5產業化情況

當前，國內還鮮有從事激光雷達商業化開發的公司，國外公司的產品在國內市場上處於早期推廣階段，售價較高，而且測風激光雷達屬於資源探測系統，採用國外產品在軍用場合或其他敏感場合存在泄漏國家安全大數據的隱患。

牧鐳激光自主研製的測風激光雷達產品Molas B300，已在全國30餘處實現累計長達4萬小時的外場觀測測試，並於2016年底委託風電行業第三方檢測機構——德國WindGuard股份有限公司進行認證測試，雷達測量數據與國際IEC 標準一類風杯風速計所測數據相關性都高達0.99以上。

德國WindGuard認證測試

Molas B300具有全面的自主知識產權，可提高國家激光雷達行業的整體技術水平和國際競爭力，還可滿足國防、科研等領域用戶的需求，提升整體的研究和應用水平，推動產業的升級換代。

總結：隨著激光與光電子技術、信號處理技術的發展，測風激光雷達必將成為風場探測相關領域技術革命的推動者，為風場測量提供更完美的解決方案。文章來源：http://www.oeshow.cn