[实用新型]基于云台进行风场测量的单点测风激光雷达系统

说明书

本实用新型公开了一种基于云台进行风场测量的单点测风激光雷达系统，包括测风激光雷达和云台；测风激光雷达包括望远镜组件，以及与望远镜组件通过线缆连接的测风雷达机体；望远镜组件与云台可拆卸连接；望远镜组件包括光学天线和姿态检测模块；光学天线用于对发射的激光信号进行扩束准直，并接收回波信号；所述姿态检测模块用于检测所述光学天线的姿态并将所述姿态数据传输至所述云台；云台包括云台驱动部，云台驱动部用于控制经由光学天线的发射信号对风场的给定位置的扫描，并且，依据所述姿态数据调整光学天线的角度。本实用新型可以实现测风激光雷达对风场数据更准确地测量。

技术领域

本实用新型涉及大气风场测量领域，尤其涉及一种基于云台进行风场测量的单点测风激光雷达系统。

背景技术

大气风场的高精度探测研究，对大气科学研究、航天安全保障、风能源开发利用、空间军事平台等方面都具有极其重要的意义。中高层大气风场是这一区域大气的基本参量，风场不仅对中高层大气及上下层之间能量传输起着重要作用，还对航天器安全以及轨道运行有很大影响，是重要的空间环境参数。风场信息是大气科学研究的重要参考依据，同时风场测量结果还可以作为大气模型建立的重要依据，以此为基础进行大气动力学的研究。高精度、高时空分辨率的风场数据对于提高天气预报的准确性具有重要作用，区域风场探测能够准确的监测大气中冷暖气流在时间和空间上的分布，进而推测冷暖气流的基础上出现的一些天气系统。对于预防台风、沙尘暴、飓风等自然灾害具有重大意义。

大气风场的探测技术主要包括：转杯风速仪、探空气球、声雷达、微波雷达以及激光雷达。前两者属于被动式探测方式，并且只能测量水平风速，不能满足多数情况的要求。为了获得三维风场信息，声雷达、微波雷达和激光雷达被重点研究，但是声雷达易受大气温度影响以及探测距离较近。微波雷达波长较长，主要作用于雨、云、冰等聚集的大尺寸粒子形成回波信号，对一些小尺寸微粒，如大气分子和气溶胶粒子等基本不会产生回波信号，因此其对云雨天气探测能力较强，而进行晴空均匀大气和气溶胶密度较低时，会形成探测盲区。而测风激光雷达作用于大气分子和气溶胶粒子，是目前实现全天候的风场观测的最佳方案，并且具有体积小、风场测量精度高、时间和空间分辨率较高等优点，所以具有很大的研究价值。

但是，测风激光雷达的载体平台在探测过程中，因气流、飞行操作等多种因素的影响，不可能始终保持均匀的飞行速度和稳定的飞行姿态，载机平台的抖动对于安装其上的测风激光雷达系统的风速反演存在误差。对于机载雷达的运动补偿方法基本分为两类：一类方法是基于各种算法的软件层面的补偿，另是基于硬件层面的补偿，硬件平台补偿方法又可以细分为两类:1)三轴稳定方法:用三维伺服系统修正指令；2)二轴稳定方法:对载机的三自由度姿态变化的修正分解到方位、俯仰两个投影分量来完。而云台可以很好的综合两方面的优势，可以通过解算飞行姿态对光学天线进行控制，同时可以做抖动处理，提高系统测量精度。

a.风速反演抖动误差。

对于地基多普勒天气雷达，由于回波的发射源是静止的，多普勒频移只由探测目标物对雷达天线的相对运动产生。当雷达是安装在运动的载体平台上的，探测过程中多普勒频移所反映的仍然是探测目标物与随着载体平台一同运动的雷达天线之间的相对运动。理论上雷达尤其是雷达天线部分与载体平台处于相对静止的情况，由于因气流、飞行操作等多种因素的影响，雷达尤其是雷达天线部分与载体平台的相对位置存在抖动，对反演结果存在一定影响。

b.雷达天线接收回波的偏差

雷达天线发射一个沿径向传播的探测波束,波束遇到被探测目标物后的后向散射回波再沿径向被雷达天线接收，通过分析后向散射回波来反推被探测目标物的特性的，雷达在发射脉冲和接收后向散射回波之间有一个时间间隔。

天气雷达系统，在此间隔中，由于载体平台的不稳定，所加载雷达天线的指向也随之发生变化。理论上，雷达天线指向的变化会影响探测波束范围内部分回波的接收。在雷达天线发射脉冲和接收回波之间的时间间隔内,雷达天线运动状态的变化,就会对发射和接受的脉冲之间的相位差有不可忽视的影响。