01 背景介紹

風(fēng)場測量在提高天氣預(yù)報準確性、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、測風(fēng)塔、聲雷達和微波風(fēng)廓線雷達等設(shè)備，存在無法連續(xù)監(jiān)測風(fēng)場、探測距離短、分辨率低且體積大等問題，難以滿足現(xiàn)代氣象對精確連續(xù)風(fēng)場測量的需求。

相干多普勒激光雷達的工作原理是通過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)來測量風(fēng)速和風(fēng)向，是一種基于相干探測的測風(fēng)技術(shù)，該技術(shù)具有體積小，風(fēng)場測量精度高，時間和空間分辨率出色等特點。和傳統(tǒng)的微波測風(fēng)雷達相比，特別是在晴空風(fēng)場風(fēng)速測量例如晴空湍流領(lǐng)域，其有著不可替代的優(yōu)勢，能夠為氣象監(jiān)測、風(fēng)能開發(fā)等多個領(lǐng)域提供重要數(shù)據(jù)支持。

02 運作原理

相干多普勒測風(fēng)激光雷達通常由高穩(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主要功能單元組成。相干多普勒測風(fēng)激光雷達通過高穩(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)負責(zé)采集和數(shù)字化處理這些信號，而三維掃描裝置則調(diào)整激光束的方向以實現(xiàn)空間掃描，最終，這些單元協(xié)同工作，通過分析多普勒頻移效應(yīng)，精確測量并提供大氣風(fēng)場的三維分布信息。

▲相干多普勒激光雷達原理圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為相干多普勒測風(fēng)激光雷達中重要一環(huán)，負責(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。它通過濾波、放大等預(yù)處理步驟提升信號質(zhì)量，并運用FFT分析多普勒頻移，以計算風(fēng)速和風(fēng)向。系統(tǒng)還實時記錄、存儲和傳輸處理后的數(shù)據(jù)，以支持氣象監(jiān)測和風(fēng)能評估。此外，它能夠控制激光發(fā)射參數(shù)以適應(yīng)不同測量條件，并監(jiān)控數(shù)據(jù)采集過程，確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性，并且能夠通過參數(shù)調(diào)整和算法優(yōu)化提升系統(tǒng)性能，增強測量的精確性和效率。

03

解決方案

中科采象的相干多普勒激光雷達數(shù)據(jù)采集解決方案保障了采集信號數(shù)據(jù)的準確性與完整性，通過FPGA的波形數(shù)字化處理算法，實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)處理，并能靈活適配各種應(yīng)用需求和場景。方案主要優(yōu)勢包括：

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：可通過板載FPGA進行實時FFT、譜數(shù)據(jù)累加等算法，也可直接將數(shù)據(jù)傳至上位機處理；基于VB.NET、C#、C/C++開發(fā)環(huán)境，提供SDK開發(fā)包和API調(diào)用接口，以及豐富的開發(fā)案例庫。

4. 全方位技術(shù)支持和售后服務(wù)：提供免費培訓(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，確保用戶無后顧之憂。

▲激光雷達檢測到的對流天氣下的機場低空風(fēng)場