[發明專利]海洋浮標平臺激光雷達三維風場剖面探測系統及探測方法

有效

• 申請號: 201310657692.2
• 申請日: 2013-12-09
• 公開（公告）號: CN103605136A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 王波;李民;劉世萱;陳世哲;苗斌;王文彥
• 申請（專利權）人: 山東省科學院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01W1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于海洋三維風場探測系統領域，尤其是一種能夠進行遠海自動化觀測、成本低、測量精度高、時空分辨率高、實時連續、長期可靠的海洋浮標平臺激光雷達三維風場剖面探測系統及探測方法。

背景技術

21世紀是海洋的世紀，各沿海國家已經將海洋經濟和海洋科技等領域的發展提升為國家級戰略的高度，對海洋環境探測的需求也越來越高，亟需更精確、更精細、現場實時連續的剖面海洋環境精細化觀測為海洋經濟的發展保駕護航，為海洋科技和新能源利用的發展提供可靠的技術手段，為決策者提供寶貴的數據支持。海上大氣的三維風場剖面信息是海洋環境探測的重要內容之一。

當前，根據工作平臺的不同，海上大氣三維風場剖面的探測手段主要有三種方式：衛星遙感、機載遙感和基于模型的預報。這三種方式雖然能夠提供海上大氣三維風場剖面參數，但存在著各種局限性：衛星和機載遙感的成本很高，空間分辨率較低，而且機載遙感的時間精細程度較差；基于模型的預報方法則存在誤差較大的問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種能夠進行遠海自動化觀測、成本低、測量精度高、時空分辨率高、實時連續、長期可靠的海洋浮標平臺激光雷達三維風場剖面探測系統及探測方法。

本發明的技術方案是：海洋浮標平臺激光雷達三維風場剖面探測系統，其特征是由測風激光雷達（1）、浮標平臺（2）、氣象資料觀測模塊（3）、海面資料觀測模塊（4），浮標平臺姿態測量模塊（5）、激光雷達風場補償模塊（6）和輸出單元（7）組成，

其中，測風激光雷達（1）和氣象資料觀測模塊（3）安裝于浮標平臺（2）甲板上，海面資料觀測模塊（4）、浮標平臺姿態測量模塊（5）、激光雷達風場補償模塊（6）和輸出單元（7）分別安裝在浮標平臺（2）內部，所述氣象資料觀測模塊（3）、海面資料觀測模塊（4）、浮標平臺姿態測量模塊（5）、激光雷達風場補償模塊（6）分別和輸出單元（7）相連，并通過通信天線發送至指定客戶端，所述浮標平臺姿態測量模塊（5）海與激光雷達風場補償模塊（6）相連。

所述測風激光雷達（1）用于觀測激光傳播路徑上的多普勒頻移，并進而得到徑向風速，采用圓錐掃描，得到局部大氣范圍內多個方位、不同距離上的徑向風速。全密封外殼以防潮防濕，在鏡頭外配備全自動長壽命專用電刷，按設定時間對鏡頭進行清理。

所述浮標平臺（2）用于安裝測風激光雷達系統和常規氣象及海洋動力觀測模塊，并為各觀測單元提供電源，電源采用太陽能電池板和蓄電池相結合的方式。

所述氣象資料觀測模塊（3）用于觀測近海面的溫度、濕度、壓強和風速風向等常規氣象參數，為激光雷達測風提供參考和約束條件。

所述海面資料觀測模塊（4）用于觀測波浪、海水溫度、海流、鹽度等常規海洋觀測參數。

所述浮標平臺姿態測量模塊（5）用于測量浮標平臺的艏向、橫滾和縱搖等姿態參數，以補償浮標平臺運動對激光雷達測量三維風場剖面的影響。

所述激光雷達風場補償模塊（6）根據浮標平臺的艏向、橫滾和縱搖等姿態參數對測量的徑向風場進行補償，提高測量精度。

所述輸出單元（7）用于將三維風場剖面數據和浮標觀測到的常規氣象和海洋環境參數進行統一編碼，并通過一定的方式傳輸到指定終端。

海洋浮標平臺激光雷達三維風場剖面探測系統的探測方法，其特征是包括下列步驟。

第一步、初始化激光雷達，設置激光雷達的探測高度、空間分辨率和數據更新率參數。

第二步、浮標平臺通過氣象資料觀測模塊、海面資料觀測模塊和浮標平臺姿態測量模塊得到常規的海洋環境參數、近海面氣象參數和浮標平臺艏向、橫滾和縱搖的姿態參數。

第三步、激光雷達發射激光波束，并在小范圍做圓錐掃描，根據大氣中氣溶膠粒子的后向散射回波與本地激光做相干處理，得到回波的多普勒頻移，進而得到徑向風速和距離，綜合第二步得到的浮標平臺姿態參數得到徑向風速的方位。

第四步、激光雷達風場補償模塊根據第二步得到的浮標平臺艏向、橫滾和縱搖的姿態參數對第三步得到的徑向風速進行補償，進而得到浮標平臺上空局部大氣的三維風場剖面參數。

第五步、輸出單元將第二步得到的海洋環境參數、近海面氣象參數、浮標平臺艏向、橫滾和縱搖的姿態參數及第四步得到的三維風場剖面參數進行編碼，并通過通信天線發送至指定客戶端。

本發明的有益效果是：將浮標平臺和激光雷達相結合，不僅克服傳統浮標僅能進行單點觀測的缺陷，而且將激光雷達剖面觀測優勢擴展到氣象觀測領域亟需的海洋中，有效獲得海洋中現場、實時、連續的三維風剖面。