多普勒激光雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)與數(shù)據(jù)分析

多普勒激光雷達(dá)的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)與數(shù)據(jù)分析目錄1引言 12多普勒效應(yīng) 12.1多普勒效應(yīng)簡(jiǎn)單介紹 12.2光波的多普勒效應(yīng) 23激光雷達(dá) 23.1激光雷達(dá)介紹 23.2激光雷達(dá)的分類(lèi) 33.2.1按觀測(cè)角度分類(lèi) 33.2.2按應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi) 33.2.3按使用方式分類(lèi) 43.2.4小結(jié) 43.3多普勒激光雷達(dá) 43.3.1多普勒激光雷達(dá)原理 43.3.2多普勒激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)速 54激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù) 54.1激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)指標(biāo) 54.2激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)分類(lèi) 54.2.1點(diǎn)分子測(cè)風(fēng)技術(shù) 64.2.2相干探測(cè)技術(shù) 64.2.3非相干探測(cè)技術(shù) 64.3激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)誤差分析 74.3.1誤差分析 74.3.2校正方法 85?？谏峡诊L(fēng)場(chǎng)的探測(cè)分析和反演 85.1海南師范大學(xué)海南激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室 85.2瑞利測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)探測(cè)結(jié)果案例 85.3風(fēng)速反演 95.4?？陲L(fēng)速案例分析 106總結(jié) 11參考文獻(xiàn) 12致謝 13

摘多普勒效應(yīng)效應(yīng)的大氣風(fēng)場(chǎng)激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、以及數(shù)據(jù)分析方法，并分析了2023年11月17-18日海南師范大學(xué)瑞利測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，反演得到了當(dāng)天?？谏峡?-20km高度范圍上大氣水平風(fēng)場(chǎng)的分布廓線(xiàn)。相關(guān)分析結(jié)果可以給天氣預(yù)報(bào)、氣象研究和環(huán)境變化提供部分參考。關(guān)鍵詞:多普勒效應(yīng)，激光雷達(dá)，水平風(fēng)場(chǎng)，?？?引言精確風(fēng)場(chǎng)測(cè)量對(duì)于氣象領(lǐng)域和氣象研究來(lái)說(shuō)極其重要。而傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)雷達(dá)的測(cè)風(fēng)精確度不高。但隨著科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步，激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)不斷成熟。激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)有高精度、分辨率高、可遠(yuǎn)距離測(cè)風(fēng)、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)[1]。特別是在晴朗的天氣條件下，激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)幾乎在各個(gè)方面上都稱(chēng)的上完美，因此在氣象領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。多普勒激光雷達(dá)的原理是利用光波頻率的變化來(lái)檢測(cè)空氣中氣體和微粒的速率。在通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)后，進(jìn)而可以進(jìn)行風(fēng)速精準(zhǔn)運(yùn)算。不過(guò)多普勒激光雷達(dá)技術(shù)有很多技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)，在不同的測(cè)量環(huán)境下，需要做到具體問(wèn)題具體分析。因此在測(cè)量之前必須進(jìn)行環(huán)境適配參數(shù)調(diào)整。本次研究希望以點(diǎn)帶面，通過(guò)對(duì)?？谏峡诊L(fēng)場(chǎng)的測(cè)量來(lái)探討背后相關(guān)的多普勒激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)的技術(shù)原理和分析方法。研究目標(biāo)不僅是為氣象預(yù)測(cè)和環(huán)境評(píng)估提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，還包括驗(yàn)證多普勒激光雷達(dá)技術(shù)在應(yīng)用于大氣科學(xué)時(shí)的效果。通過(guò)這些研究成果，期望能為將來(lái)同類(lèi)技術(shù)的使用與發(fā)展提供一些參考和啟示。2多普勒效應(yīng)2.1多普勒效應(yīng)簡(jiǎn)單介紹多普勒效應(yīng)是一種普遍適用于波動(dòng)的基本原理，它不僅體現(xiàn)在聲波上，還可以應(yīng)用到如光波等其他類(lèi)型的波。這種效應(yīng)產(chǎn)生于波源與觀察者之間的相對(duì)移動(dòng)，這樣的移動(dòng)會(huì)使得觀察者所感知的波頻率與波源實(shí)際發(fā)射的頻率存在差異[2-3]。關(guān)于聲音現(xiàn)象，以火車(chē)?guó)Q笛的例子而言，表現(xiàn)得尤為突出。例如，當(dāng)火車(chē)接近觀察者時(shí)，由于聲波的壓縮，火車(chē)的鳴笛聲聽(tīng)起來(lái)變得尖銳；相反，當(dāng)火車(chē)駛離時(shí)，由于聲波的擴(kuò)展，鳴笛聲則顯得更低沉。這種由聲波的變化導(dǎo)致的音高變化，最早由19世紀(jì)的科學(xué)家克里斯蒂安·多普勒觀察到，并以他的名字命名為多普勒效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)不僅在聲學(xué)領(lǐng)域有重大意義，其影響也擴(kuò)展到了天文學(xué)、氣象學(xué)及醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。多普勒效應(yīng)使得科學(xué)家能夠通過(guò)分析波的頻率變化來(lái)研究從星體運(yùn)動(dòng)到血流速度的各種現(xiàn)象。觀察者（Observer）和發(fā)射源（Source）的頻率關(guān)系為：f其中f'為觀察到的頻率；f為發(fā)射源于該介質(zhì)中的原始發(fā)射頻率；v為波在該介質(zhì)中的行進(jìn)速度；vo為觀察者相對(duì)于介質(zhì)的移動(dòng)速度，若接近發(fā)射源則前方運(yùn)算符號(hào)為+號(hào)，反之則為?號(hào)；2.2光波的多普勒效應(yīng)具有波動(dòng)性的光也會(huì)出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱(chēng)為多普勒-斐索效應(yīng)。因?yàn)榉▏?guó)物理學(xué)家斐索于1848年獨(dú)立地對(duì)來(lái)自恒星的波長(zhǎng)偏移做了解釋?zhuān)赋隽死眠@種效應(yīng)測(cè)量恒星相對(duì)速度的辦法。光波頻率的變化使人感覺(jué)到是顏色的變化。如果恒星遠(yuǎn)離我們而去，則光的譜線(xiàn)就向紅光方向移動(dòng)，稱(chēng)為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的譜線(xiàn)就向紫光方向移動(dòng)，稱(chēng)為藍(lán)移[4]。光波與聲波的不同之處在于：光以光速c運(yùn)行，這時(shí)需要考慮狹義相對(duì)論帶來(lái)的效應(yīng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)沿著任意方向時(shí)，若從觀察者參考系來(lái)看，波源以速度v以及相對(duì)于從觀察者到波源方向呈一個(gè)角度θ（光從波源發(fā)射到觀察者的方向與波源速度的夾角）遠(yuǎn)離，則頻率變化[2-3]為f其中γ=1Δf3激光雷達(dá)3.1激光雷達(dá)介紹在1961年，美國(guó)的科學(xué)工作者通過(guò)使用激光雷達(dá)技術(shù)成功捕捉到了從月球返回的光信號(hào)，這一事件標(biāo)志著激光雷達(dá)技術(shù)的嶄新起點(diǎn)。激光雷達(dá)，或稱(chēng)為lidar，是一種依靠激光來(lái)進(jìn)行距離和速度測(cè)量的傳感技術(shù)。它主要由激光發(fā)射裝置，接收裝置和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。在激光雷達(dá)技術(shù)的歷史進(jìn)程中，一系列關(guān)鍵的技術(shù)突破極大地推動(dòng)了其向前發(fā)展，例如激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)科技與信號(hào)處理領(lǐng)域、光電探測(cè)器、光學(xué)組件等。這些技術(shù)進(jìn)步不僅增強(qiáng)了設(shè)備的性能，也拓寬了激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍，使其成為一個(gè)不斷創(chuàng)新和應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)展的高科技領(lǐng)域。激光雷達(dá)系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的技術(shù)，已在多個(gè)行業(yè)中顯示出其關(guān)鍵性能力，例如在軍事、航空、地理信息系統(tǒng)、氣候變化研究和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。激光雷達(dá)技術(shù)由于其獨(dú)特的屬性，在科學(xué)研究和實(shí)際操作中持續(xù)證明其價(jià)值。3.2激光雷達(dá)的分類(lèi)3.2.1按照觀測(cè)角度進(jìn)行分類(lèi)一、后向散射激光雷達(dá)后向散射激光雷達(dá)技術(shù)通過(guò)發(fā)射激光脈沖至特定目標(biāo)，并記錄從發(fā)射到接收反射回來(lái)的脈沖所需的時(shí)間，來(lái)計(jì)算對(duì)象的距離，形狀和速度等關(guān)鍵信息[5]。這項(xiàng)技術(shù)能夠直接和精確地獲取距離與速度數(shù)據(jù)，具有明顯的比較優(yōu)勢(shì)，該激光在別的領(lǐng)域也大有可為。令人驚喜的是它還能根據(jù)回波的強(qiáng)度、偏振度和頻譜來(lái)判斷目標(biāo)物的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。二、側(cè)向成像激光雷達(dá)側(cè)向成像激光雷達(dá)是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠型，其工作原理與傳統(tǒng)激光雷達(dá)是完全不同的。它使用成像系統(tǒng)對(duì)激光束進(jìn)行拍照，然后計(jì)算每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的回波傳播的方向。再通過(guò)測(cè)量光束的傳播方向和幾何信息，就可以計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離。側(cè)向成像激光雷達(dá)比后向散射激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)包括成本較低、近場(chǎng)無(wú)盲區(qū)和幾何校正的校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。所以它在邊界層探測(cè)方面非常有優(yōu)勢(shì)。但是它也有一些缺點(diǎn)。眾所周知，側(cè)向成像激光雷達(dá)的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是隨著距離的增加，這使得在遠(yuǎn)距離處的探測(cè)能力相對(duì)較弱。還有一個(gè)缺點(diǎn)就是對(duì)于高空的探測(cè)能力也相對(duì)較差。最大的缺點(diǎn)可能是在可見(jiàn)光波段的側(cè)向成像激光雷達(dá)在白天可能受到背景光的嚴(yán)重影響，這會(huì)嚴(yán)重影響它的性能。3.2.2按應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)一、地面激光雷達(dá)一種安置于地面的儀器用于對(duì)各種地表元素如物體、建筑、道路以及地形進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量和模擬。該設(shè)備能夠提供高精度的數(shù)據(jù)，這對(duì)城市規(guī)劃和工程測(cè)量領(lǐng)域尤為重要。然而，它需要被固定在特定位置，因此其使用范圍受到一定限制。二、航空激光雷達(dá)該設(shè)備被應(yīng)用于各類(lèi)航空器之上，主要功能是對(duì)廣闊地區(qū)的三維地形進(jìn)行迅速而有效的測(cè)量。此技術(shù)特別適合于執(zhí)行地質(zhì)調(diào)查和森林資源的評(píng)估工作。盡管這種設(shè)備可以提供精確的大面積地形圖，但其價(jià)格不菲且操作要求繁復(fù)，同時(shí)對(duì)搭載的飛行器也有較高的技術(shù)要求。三、水下激光雷達(dá)設(shè)計(jì)用于在水下環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量和探測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。它能夠在水下環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量和探測(cè)，適用于海洋地質(zhì)勘探、水下地形測(cè)量等領(lǐng)域。但該設(shè)備技術(shù)難度較大，成本高，受水下環(huán)境限制。3.2.3按使用方式分類(lèi)一、固定式激光雷達(dá)安裝在固定位置，用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)等任務(wù)。該設(shè)備穩(wěn)定可靠，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性好。但覆蓋范圍有限，適用場(chǎng)景受限。二、移動(dòng)式激光雷達(dá)安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，如車(chē)輛、船只、無(wú)人機(jī)等，用于快速獲取大范圍區(qū)域的三維地圖和數(shù)據(jù)。比較活便捷，能夠快速獲取大范圍數(shù)據(jù)。但該設(shè)備成本高，操作復(fù)雜，對(duì)移動(dòng)平臺(tái)要求高，覆蓋范圍受限。3.2.4小結(jié)通過(guò)這些分類(lèi)方式，可以幫助更好的理解激光雷達(dá)技術(shù)的原理和使用。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)環(huán)境和待測(cè)目標(biāo)的特點(diǎn)來(lái)選擇不同的激光雷達(dá)。有時(shí)還可以將不同類(lèi)型的激光雷達(dá)結(jié)合在一起使用以達(dá)到最好的測(cè)量效果。 3.3多普勒激光雷達(dá)3.3.1多普勒激光雷達(dá)原理多普勒激光雷達(dá)技術(shù)基于多普勒效應(yīng)的原理來(lái)測(cè)定物體的速度。多普勒效應(yīng)指的是當(dāng)波源如激光與運(yùn)動(dòng)的物體之間存在相對(duì)位移時(shí)，接受到波的頻率與波源發(fā)出的頻率并不一樣的現(xiàn)象，且滿(mǎn)足相關(guān)頻率公式[6]。因此基于相關(guān)原理，多普勒激光雷達(dá)可以通過(guò)對(duì)返回的激光信號(hào)的頻率進(jìn)行分析，就可以準(zhǔn)確地測(cè)出物體的速度。3.3.2多普勒激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)速多普勒激光雷達(dá)可以用來(lái)測(cè)量大氣中的風(fēng)向和風(fēng)速。其原理是向天空發(fā)射激光脈沖，再接受這些脈沖與大氣中氣體分子或氣溶膠顆粒相互作用后的反射信號(hào)。通過(guò)分析這些反射信號(hào)的頻率變化，可以準(zhǔn)確地推算出風(fēng)的速度和方向。雖然這種技術(shù)是通過(guò)間接測(cè)量來(lái)得出結(jié)果，但測(cè)量結(jié)果是非常準(zhǔn)確的。4激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)4.1激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)指標(biāo)激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)被大量的應(yīng)用在氣象學(xué)領(lǐng)域，它有很好的檢測(cè)能力，它的測(cè)量風(fēng)速的能力就非常重要。該技術(shù)可以測(cè)量的距離介于2000米至30000米，在不同的大氣中的層次中都可以以獲取風(fēng)速數(shù)據(jù)。激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)展現(xiàn)出在大氣風(fēng)速測(cè)量領(lǐng)域的高效性和精確性。它在測(cè)量距離為20到50米內(nèi)具有強(qiáng)大的測(cè)量能力，因此有很好的短距離測(cè)量功能。它的測(cè)風(fēng)速誤差為0.5米左右，說(shuō)明有很強(qiáng)的精確度。該設(shè)備的掃描速率可以達(dá)到每秒30度，說(shuō)明了該技術(shù)在處理數(shù)據(jù)方面的高效率。還值得關(guān)注的是它的風(fēng)速測(cè)量范圍為±30米每秒，這很好的展示處理了其優(yōu)秀的速度捕捉能力。這些無(wú)不說(shuō)明了激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)在測(cè)定風(fēng)速方面具有出色的性能。該技術(shù)的工作原理可以參照?qǐng)D1進(jìn)行理解。圖一來(lái)自參考文獻(xiàn)[7]。圖1激光多普勒技術(shù)原理圖4.2激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)分類(lèi)4.2.1碘分子測(cè)風(fēng)技術(shù)脈沖分子多普勒激光雷達(dá)是一種測(cè)定大氣風(fēng)速的高級(jí)技術(shù)。此技術(shù)運(yùn)用激光脈沖與空氣中分子的交互作用，依此通過(guò)分析反射回的激光信號(hào)來(lái)識(shí)別風(fēng)速數(shù)據(jù)。其核心原理涉及多普勒效應(yīng)：當(dāng)激光脈沖與運(yùn)動(dòng)中的氣體分子相遇時(shí)，氣體分子的移動(dòng)使得激光的波長(zhǎng)發(fā)生變化，再比較和分析激光的波長(zhǎng)變化就可以推算分子運(yùn)動(dòng)速率。碘分子測(cè)風(fēng)技術(shù)能夠詳細(xì)探測(cè)風(fēng)速的變化，加強(qiáng)多普勒激光雷達(dá)的測(cè)風(fēng)的精確性。該技術(shù)監(jiān)測(cè)區(qū)域廣，還支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，為天氣預(yù)測(cè)提供了即時(shí)的風(fēng)速信息。但它的技術(shù)比較昂貴。不過(guò)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，有理由可以相信碘分子測(cè)風(fēng)技術(shù)在未來(lái)在大氣領(lǐng)域的應(yīng)用潛力很大。4.2.2相干探測(cè)技術(shù)相干探測(cè)技術(shù)利用激光的相干特性來(lái)執(zhí)行多種測(cè)量與檢測(cè)任務(wù)。這種技術(shù)主要依賴(lài)于發(fā)送激光信號(hào)及其后利用探測(cè)器捕獲并分析這些信號(hào)的回響。該技術(shù)在多個(gè)場(chǎng)合中被證明至關(guān)重要，包括光學(xué)通信、成像方法、激光雷達(dá)技術(shù)和光譜分析等領(lǐng)域。相干探測(cè)通過(guò)挖掘激光的固有特性，提供了一個(gè)既精確又高效的途徑，用于開(kāi)展科技和科學(xué)上的研究工作。本項(xiàng)技術(shù)基于激光的相干特性進(jìn)行工作。激光自身的特性中，光波的振幅和相位是恒定相關(guān)的，展現(xiàn)出明顯的相干性。與此同時(shí)，當(dāng)激光照射到某一特定目標(biāo)上時(shí)，反射回來(lái)的光波將攜帶該目標(biāo)的諸多信息，比如目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、表面屬性及其動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)對(duì)比這些反射回來(lái)的光波與原發(fā)激光波之間的相干性的差異，我們能夠解讀出關(guān)于目標(biāo)的詳盡信息。相干探測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，它主要利用其能夠提供高分辨率的探測(cè)能力，特別是在那些微觀尺度上或者在信噪比相對(duì)較低的環(huán)境中展示出顯著的效果。然而，相干探測(cè)技術(shù)也存在一些挑戰(zhàn)和限制，相干探測(cè)系統(tǒng)需要非常復(fù)雜和昂貴的光學(xué)和電子部件，而且自身的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試較為復(fù)雜。對(duì)環(huán)境條件的要求較高。對(duì)較強(qiáng)的計(jì)算能力和算法提出了很高的要求。4.2.3非相干探測(cè)技術(shù)非相干探測(cè)技術(shù)利用的是非相干光，例如太陽(yáng)光，led燈等光源。非相干探測(cè)技術(shù)主要基于測(cè)量和分析光信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)工作。當(dāng)使用非相干光源照明目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)會(huì)對(duì)這些光進(jìn)行反射、散射或吸收。通過(guò)這種方式，返回的光信號(hào)含有了目標(biāo)的詳細(xì)特性。例如返回的光信號(hào)，強(qiáng)度、頻譜及顏色分布等，進(jìn)而得到待測(cè)物體的物理信息。這種技術(shù)不依賴(lài)于高端的光學(xué)設(shè)施或復(fù)雜的光源配置，一般的光源和探測(cè)設(shè)備就可以完成任務(wù)，所以具有很好的適應(yīng)性和實(shí)用性。與相干探測(cè)技術(shù)相比，非相干探測(cè)技術(shù)在設(shè)備成本上一般更加低。盡管非相干探測(cè)技術(shù)在特定領(lǐng)域有所應(yīng)用，其限制和面臨的問(wèn)題仍不可忽視。此技術(shù)使用非相干光源，這種光源發(fā)出的光束相干性較差，這一點(diǎn)負(fù)面影響了圖像的清晰度及分辨率。更關(guān)鍵的是，此技術(shù)主要通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)度而非光相位來(lái)進(jìn)行工作，這在進(jìn)行微弱信號(hào)檢測(cè)時(shí)限制了其性能，導(dǎo)致測(cè)量靈敏度不是很高。同時(shí)，由于該技術(shù)不提供關(guān)于光相位的信息，因而在那些需要這種信息的應(yīng)用場(chǎng)景中，其效率可能會(huì)受到影響。盡管存在很多技術(shù)困難，非相干探測(cè)技術(shù)因其應(yīng)用條件較低，范圍廣。它依然是非常重要的探測(cè)技術(shù)。4.3激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)誤差分析4.3.1誤差分析激光多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)很很高的精確度，但實(shí)際測(cè)量時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一些誤差，這些誤差能夠影響最終的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此進(jìn)行誤差分析是確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的必要措施，這些誤差主要是由以下幾個(gè)因素造成的。F-P（Fabry-Perot）標(biāo)準(zhǔn)器在透光率曲線(xiàn)校準(zhǔn)直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。為了評(píng)估這種校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，我們需要將實(shí)際校準(zhǔn)后得到的透光率曲線(xiàn)參數(shù)與其理論值進(jìn)行比較分析。這樣就可以知道實(shí)際的校正是否正確和合適[8]。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)變化也是一個(gè)影響誤差的重要因素。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，各種參數(shù)都可能會(huì)改變，這些變化都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。在對(duì)徑向風(fēng)速進(jìn)行反演時(shí)，對(duì)氣溶膠和大氣溫度的估計(jì)的不準(zhǔn)確度是影響結(jié)果的重要因素[8]。因?yàn)樘鞖獾牟淮_定性和變化，對(duì)氣溶膠和大氣溫度的估計(jì)的不準(zhǔn)確度是不精準(zhǔn)的。只有在實(shí)驗(yàn)測(cè)風(fēng)之前，充分考慮這些影響結(jié)果的因素，并制定相關(guān)的校正方法，才能得到比較精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。4.3.2校正方法在知道和理解影響結(jié)果的主要因素后，為了得到更精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，校正是必要的措施。應(yīng)該正對(duì)以上的因素一一采取正確有效的校正措施。因此應(yīng)該采用多種技術(shù)改良方法，這樣可以顯著的提高測(cè)量的精確度，也方便為天氣預(yù)報(bào)和氣候變化提供更為可信的數(shù)據(jù)。除此以外，優(yōu)化和更新數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是重中之重。具體來(lái)說(shuō)，就是在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)加入對(duì)更多誤差來(lái)源的校正步驟，這能有效提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。5?？谏峡诊L(fēng)場(chǎng)的探測(cè)分析和反演5.1海南師范大學(xué)海洋空間環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室海南師范大學(xué)海洋空間環(huán)境探測(cè)激光雷達(dá)位于海南師范大學(xué)第一辦公樓樓頂，地理坐標(biāo)為19.9°N緯度，110.3°E經(jīng)度，如圖2所示。它是2022年建設(shè)完成的Rayleigh-Raman-Doppler綜合激光雷達(dá)系統(tǒng)，基于大氣分子對(duì)激光的瑞麗散射、拉曼散射、和多普勒散射效應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)?？谏峡沾髿鉁囟?、水汽、氣溶膠、和水平風(fēng)場(chǎng)的高精度探測(cè)。圖2海南師范大學(xué)激光雷達(dá)系統(tǒng)外觀圖5.2瑞利測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)探測(cè)結(jié)果案例海南師范大學(xué)瑞利測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)是基于碘分子測(cè)風(fēng)技術(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)雙通道數(shù)據(jù)信號(hào)的差值，來(lái)完成大氣水平風(fēng)場(chǎng)的反演。如圖3所示，為瑞麗激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)信號(hào)采集顯示圖。圖3瑞利激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)信號(hào)采集顯示圖5.3水平風(fēng)場(chǎng)反演采用1976美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度模型[10]，在排除氣溶膠影響下，分子信號(hào)透過(guò)率的函數(shù)是Ti,R式中：Δvr=(8kT/Mλ2+ΔvRV由之前的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量速度公式可得：RV可以導(dǎo)出δV?解得δv，則v(1)=v(0)+δv，將v(1)重新代入方程，進(jìn)行重復(fù)迭代，直到(max(δv=v(k+1)?v(k)∣)<ε為止，最終ν基于2023年11月17日到2023年11月18日的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)反演分析，得到如圖4和5所示的?？谏峡沾髿馑斤L(fēng)場(chǎng)的探測(cè)結(jié)果。其中坐標(biāo)表示的是海拔高度，橫坐標(biāo)表示的是風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速大小和方向。紅線(xiàn)表示緯向風(fēng)，藍(lán)線(xiàn)代表經(jīng)向風(fēng)。圖417號(hào)夜間?？谏峡账斤L(fēng)場(chǎng)分布圖518號(hào)夜晚上空水平風(fēng)場(chǎng)分布5.4?？陲L(fēng)速案例分析海口是中國(guó)最南方的省份，屬于熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，因此該地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)會(huì)受季風(fēng)的強(qiáng)烈影響，主要是在夏季的東南季風(fēng)和冬季的北方季風(fēng)。此外，?？趶?fù)雜的地形，包含多變的海岸線(xiàn)以及附近的山脈和河流，使得風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)性進(jìn)一步增加。這樣的地形環(huán)境支持了各類(lèi)局部風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生，例如山地風(fēng)和海陸風(fēng)效應(yīng)。同樣，該地區(qū)的地表特性、城市構(gòu)造及居民的日?；顒?dòng)也對(duì)地面溫度及熱力平衡產(chǎn)生了不同程度的影響，進(jìn)一步調(diào)整了風(fēng)的方向與強(qiáng)度。因此，?？诘娘L(fēng)場(chǎng)特征展示了從季節(jié)性風(fēng)向變化到由自然和人為因素共同引導(dǎo)的長(zhǎng)期氣候趨勢(shì)的轉(zhuǎn)變。因此研究當(dāng)?shù)氐乃斤L(fēng)場(chǎng)，需要同時(shí)考慮這些因素。可以將風(fēng)劃分為經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)。緯向風(fēng)是指沿著緯度傳播的風(fēng)，包括東風(fēng)和西風(fēng)。其中東風(fēng)比較溫暖濕潤(rùn)，西風(fēng)比較寒冷干燥。經(jīng)向風(fēng)是指沿著經(jīng)度傳播的風(fēng)，其中北風(fēng)比較寒冷干燥，南風(fēng)比較溫暖濕潤(rùn)。這樣的劃分非常有利于理解上空風(fēng)速的變化，也方便研究風(fēng)速問(wèn)題。根據(jù)圖4和圖5的展示，在海拔為10km以下的經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的風(fēng)速隨海拔升高風(fēng)速逐漸變大，風(fēng)速變化過(guò)程較為平緩，但在海拔為10km左右有明顯的風(fēng)速切變點(diǎn)。在海拔10km以上，經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)的風(fēng)速變化越來(lái)越快。又對(duì)比圖4和圖5可知，17號(hào)夜晚的風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，18號(hào)風(fēng)向也為東北風(fēng)。東風(fēng)帶來(lái)溫暖的空氣，北風(fēng)則多帶來(lái)寒冷的空氣。因此由于東風(fēng)帶來(lái)的溫暖的空氣和北風(fēng)帶來(lái)的寒冷的空氣相互抵消，17號(hào)到18號(hào)的天氣溫度變化比較小。不過(guò)在同一高度下，18號(hào)夜晚天空的北風(fēng)的平均風(fēng)速明顯低于17號(hào)夜晚天空的北風(fēng)的平均風(fēng)速，而17號(hào)夜晚天空的東風(fēng)的平均風(fēng)速和18號(hào)夜晚天空的東風(fēng)的平均風(fēng)速差不多。所以18號(hào)到19號(hào)的天氣溫度變化較大，溫度變高。這與17、18和19日的天氣圖所展示的溫度變化相符合。如圖6所展示。圖6所測(cè)日期的天氣情況由4圖和5圖的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果可知，這三天的風(fēng)向都是東北風(fēng)，沒(méi)有發(fā)生很大的變化，因此天氣情況一直是比較平穩(wěn)的晴天。與圖6的風(fēng)向結(jié)果也相符合。根據(jù)初步測(cè)量結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)探測(cè)高度為2至30公里，反演得到的水平風(fēng)速處于±100米/秒的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。這表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合系統(tǒng)的探測(cè)指標(biāo)，證明了所采用的數(shù)據(jù)處理方法是可行的[11]。但在在處理過(guò)程中沒(méi)有考慮到氣溶膠的影響以及真實(shí)大氣溫度與模擬溫度之間的差異可能導(dǎo)致的誤差。因此在以后的測(cè)量研究中還有改善的空間。6總結(jié)本研究利用在海南師范大學(xué)內(nèi)的瑞利多普勒激光雷達(dá)設(shè)備，對(duì)?？诘貐^(qū)的大氣水平風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了探測(cè)和分析。分析結(jié)果表明，多普勒激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)在風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面具有很巨大的優(yōu)勢(shì)，還有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ摷夹g(shù)不僅適用于氣象學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的風(fēng)速監(jiān)測(cè)