虹科分享 | 激光測風雷達中準確監測溫度、濕度和氣壓的重要性

更新時間：2022-11-04 點擊次數：2180

引言

風場信息的測量是氣象或空氣動力學領域的重要工作內容之一，其測量的精確性對于氣象研究尤為重要。

激光測風雷達作為新型測風技術，利用多普勒（Doppler）原理獲取風向、風速信息，具有能夠探測晴空風場、測風范圍廣、探測精度高、時空分辨率高、機動性能好的優點，其在風場精準探測領域具有重要應用前景[1]。

Doppler 激光雷達風速測量原理

激光多普勒測風雷達是指利用多普勒效應獲取探測目標運動信息的激光雷達系統。多普勒效應由奧地利物理學家 Doppler 于1842 年提出，指在波源與觀測者有相對運動時，觀測者接收到的波的頻率發生改變的現象。風速的測量可通過測量大氣中的大氣運動分子及氣溶膠運動粒子的后向散射信號 Doppler 頻移來實現，即通過探測目標與激光發射信號間的相互作用來獲得大氣或氣溶膠的后向散射特性，進而通過其后向散射的頻率檢測獲得大氣徑向風速的多普勒頻移，再計算獲得大氣的徑向風速。如圖（1）所示為Doppler激光測風雷達的基本原理圖。

圖 1 Doppler 激光測風雷達基本原理圖[2]

溫度、濕度和氣壓對激光測風雷達的影響

溫度

激光雷達接收后向散射信號中，主要包含的是氣溶膠的散射信號和分子散射信號。大氣中的粒子無法自行發射激光，要測量大氣粒子的運動速度，需要從激光雷達發射機發射激光與之相互作用，接收粒子“發射的激光"（散射光）。此過程分為兩步，一是運動速度為v的大氣粒子接收頻率為f激光；二是接收機接收運動速度為v的大氣粒子發射的頻率為的(1+v/c)f0激光。

則Doppler頻移與粒子運動速度的關系為：

大氣中的氣溶膠粒子，如云、灰塵等，隨著風或湍流運動，其速度約為~1 m/s或~10 m/s。

由于在大氣中，分子不停地在做無規則熱運動，分子的無規則熱運動的Maxwell分布：

其中T為大氣溫度，在該分布下的最大速度為：

由此可見，大氣溫度與Doppler頻移密切相關。帶入k=1.38x10-23J/K與m=4.82x10-26Kg，T=300K溫度下大氣分子振動的最大速度約為400m/s，這相當于~1GHz的Doppler頻移[3]。

濕度

有研究人員測試了后向散射系數隨濕度變化，發現隨著濕度的增大，后向散射系數也有著隨之增大的趨勢。在大風速以及大風區長度下，系數最大。在小風速情況下，氣溶膠的產生主要起源于破裂氣泡的薄膜碎片，由于濕度較大時導致粒子與水滴吸附，導致吸收變大，但是風速較小不能補充更多其他組分粒子，從而導致散射減小[4]。

圖 2 后向散射系數隨濕度的變化[4]

由此可見溫度和濕度都是直接影響激光測風雷達測得結果的重要參數，其在測風雷達中準確監測的重要性不言而喻。除此以外，溫度，濕度，大氣壓都是氣象監測中的重要參數，在氣象研究中有重要作用，大氣壓也會影響大氣環境中的溫度和濕度，其三者之間息息相關。

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