在氣象觀測中,地面風速和風向一直都是最基本的觀測要素。針對目前傳統(tǒng)的測風設備部件極易損壞、多普勒測風雷達造價過高難以推廣的問題,本篇文章提出了一種基于CCD的側(cè)向散射激光雷達用于風速測量研究,建立了徑向風速與大氣氣溶膠濃度的關系模型,并對其進行驗證及影響因素分析。具體研究如下:（1）針對研究課題對選題背景進行了簡述,介紹了風速測量的幾種方法及其工作原理,隨后闡述了激光雷達及其在大氣探測領域的應用和大氣氣溶膠濃度與風速關系的研究等方面在國內(nèi)外的研究進展。（2）介紹了基于CCD側(cè)向散射激光雷達進行風況研究的相關理論基礎,闡述了大氣氣溶膠對激光的散射特性。針對文本研究內(nèi)容,介紹了Mie散射理論及激光雷達方程,結合風速對大氣顆粒物濃度的影響,說明了CCD側(cè)向散射激光雷達進行測風實驗的原理。（3）提出了一種基于CCD側(cè)向散射激光雷達系統(tǒng)進行測風實驗研究,首先根據(jù)Mie散射理論以及側(cè)向散射激光雷達方程驗證近地面氣溶膠濃度與側(cè)向散射光強分布總值存在線性關系的結論,隨后利用探測裝置采集回波信號圖并提取出光強信息,通過與監(jiān)測地點的實時風速值進行對比,建立起光強分布總值與風速值的關系模型,繼而得到風速與大... 

【文章來源】：杭州電子科技大學浙江省

【文章頁數(shù)】：51 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

機械式測風設備裝置圖

杭州電子科技大學碩士學位論文2常因缺少替換設備導致對風力資源的利用率降低。超聲波測風儀依靠超聲波傳感器對風速進行監(jiān)測，因此超聲波測風儀的使用壽命及其測量精度主要取決于傳感器設備。由于無需旋轉(zhuǎn)部件，超聲波測風儀很好的克服了傳統(tǒng)機械式測風儀普遍存在的機械部件磨損的現(xiàn)象。并且超聲波風速儀利用傳感器采集的信號經(jīng)過信號處理后，能夠反映出比機械式測風設備更為準確可靠的風速信息。但超聲波測風儀并不是完美無缺的，其整體結構復雜，重量大，價格昂貴[7]，并且會因惡劣天氣導致測量誤差變大，因此一直未能被廣泛應用于氣象領域。目前采用超聲波測風儀對風速進行測量主要基于的原理是時差法[8-9]，其工作原理如圖1.2所示。超聲波測風儀所采用的時差法是通過其傳感器的正、逆電壓效應實現(xiàn)高頻聲能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，通過檢測信號之間的時間差來測量風速。圖1.2超聲波測風儀的工作原理多普勒測風雷達的核心思想在于頻率估計技術，通過提取出激光散射回波信號來對風速進行測量。在測風雷達中使用的多普勒效應原理如圖1.3所示[10]，當激光測風雷達對風場進行風力監(jiān)測時，裝置首先會向大氣中發(fā)射脈沖激光信號，大氣中的顆粒物[11]（包括氣溶膠以及大氣分子等）與激光雷達的信號源產(chǎn)生了一個相對位移，從而導致了出射激光與雷達接收到的回波信號之間產(chǎn)生一個頻率差，這個頻率差可以直接反映出二者之間運動速度的關系。圖1.3激光測風雷達中的多普勒效應示意圖此處提到的風速測量指的是風場相對于測風雷達的徑向風速。獲取三維風場信息，還需要在獲取多個相鄰方向的徑向風速信息后，采用VAP(VelocityAzimuthProcessing)，VAD，渦度-散度算法等對風場信息進行反演[12]。多普勒激光測風雷達不僅完美的克服了傳統(tǒng)機械式測

杭州電子科技大學碩士學位論文2常因缺少替換設備導致對風力資源的利用率降低。超聲波測風儀依靠超聲波傳感器對風速進行監(jiān)測，因此超聲波測風儀的使用壽命及其測量精度主要取決于傳感器設備。由于無需旋轉(zhuǎn)部件，超聲波測風儀很好的克服了傳統(tǒng)機械式測風儀普遍存在的機械部件磨損的現(xiàn)象。并且超聲波風速儀利用傳感器采集的信號經(jīng)過信號處理后，能夠反映出比機械式測風設備更為準確可靠的風速信息。但超聲波測風儀并不是完美無缺的，其整體結構復雜，重量大，價格昂貴[7]，并且會因惡劣天氣導致測量誤差變大，因此一直未能被廣泛應用于氣象領域。目前采用超聲波測風儀對風速進行測量主要基于的原理是時差法[8-9]，其工作原理如圖1.2所示。超聲波測風儀所采用的時差法是通過其傳感器的正、逆電壓效應實現(xiàn)高頻聲能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換，通過檢測信號之間的時間差來測量風速。圖1.2超聲波測風儀的工作原理多普勒測風雷達的核心思想在于頻率估計技術，通過提取出激光散射回波信號來對風速進行測量。在測風雷達中使用的多普勒效應原理如圖1.3所示[10]，當激光測風雷達對風場進行風力監(jiān)測時，裝置首先會向大氣中發(fā)射脈沖激光信號，大氣中的顆粒物[11]（包括氣溶膠以及大氣分子等）與激光雷達的信號源產(chǎn)生了一個相對位移，從而導致了出射激光與雷達接收到的回波信號之間產(chǎn)生一個頻率差，這個頻率差可以直接反映出二者之間運動速度的關系。圖1.3激光測風雷達中的多普勒效應示意圖此處提到的風速測量指的是風場相對于測風雷達的徑向風速。獲取三維風場信息，還需要在獲取多個相鄰方向的徑向風速信息后，采用VAP(VelocityAzimuthProcessing)，VAD，渦度-散度算法等對風場信息進行反演[12]。多普勒激光測風雷達不僅完美的克服了傳統(tǒng)機械式測

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于信噪比分析的被動氫鐘輸入功率研究[J]. 章旭暉,沈雷,帥濤.  杭州電子科技大學學報(自然科學版). 2019(03)
[2]大氣顆粒物來源及特征研究[J]. 尼瑪楚多.  農(nóng)村經(jīng)濟與科技. 2019(08)
[3]風向等因素對風速計計量檢測的影響[J]. 張國城,潘一廷,邢奇鳳.  計量技術. 2018(11)
[4]空間非均勻環(huán)境中的反應擴散移流模型[J]. 李冬梅,王陽.  杭州電子科技大學學報(自然科學版). 2018(06)
[5]基于側(cè)向散射激光雷達的PM2.5濃度測量誤差[J]. 陳松,胡淼,曾然,李齊良,周雪芳,蔡美伶,聶佳林,汪延安.  光學學報. 2017(12)
[6]復雜地形下激光雷達測風誤差的修正[J]. 李軍,胡非.  可再生能源. 2017(05)
[7]基于CCD近地面大氣側(cè)向散射系數(shù)廓線探測[J]. 吳端法,胡淼,陳松,李齊良,周雪芳,魏一振,宋旸.  光散射學報. 2017(01)
[8]基于CCD側(cè)向散射激光雷達的PM2.5濃度測量研究[J]. 胡淼,吳端法,李齊良,周雪芳,魏一振,畢美華,楊國偉,宋旸,李鵬.  光學學報. 2016(11)
[9]基于CCD后向散射激光信號的PM2.5測量研究[J]. 胡淼,謝家亮,吳端法,曾嶸,李齊良,周雪芳,錢正豐,魏一振,項震,蔡炬.  光學學報. 2015(02)
[10]基于激光雷達探測的氣溶膠分類方法研究[J]. 曹念文,顏鵬.  光學學報. 2014(11)

博士論文
[1]星載激光雷達輻射傳輸蒙特卡羅模擬[D]. 程晨.中國科學技術大學 2018

碩士論文
[1]基于ARM的超聲波測風系統(tǒng)研究與設計[D]. 郭銀.南京信息工程大學 2017
[2]基于Android平臺的煙塵濃度測量系統(tǒng)設計[D]. 肖新.合肥工業(yè)大學 2012
[3]基于瑞利散射的準分布光纖溫度報警系統(tǒng)研究[D]. 魏康林.重慶大學 2002



本文編號：3493920