全光纤三维风场测量激光雷达研发及产业化

20231102

信息传输、软件和信息技术服务业

核心技术的成果来源：全光纤三维风场测量激光雷达总体方案；高速信号采集PCB技术；微弱信号检测及高精度数字频谱校正技术；单波束扩展多波束，结合三维风场反演速算法。以上核心技术全部为自研，后续可根据实际应用灵活设计优化，量身定制。 前期获得中国科学院空天信息创新研究院A类战略性先导科技专项“临近空间科学试验系统”（“鸿鹄”专项）支持，已完成研发任务，并按期结题。 项目已实现的主要技术突破和创新点包括：变尺度时频转换方法—在采样频率为两倍输入信号频率下频率检测精度可以达到毫赫兹；自相关+Welch+能量重心校正法—解决谱线展宽问题下的频率精度问题三维锥扫装置结合VAD算法—实现单波束条件下获取三维风场。 前述列举的发明专利和实用新型，主要聚焦激光微多普勒目标识别系统的总体设计方案，是系统能实现高精度风场信息获取的关键。软件著作权主要聚焦数字算法实现的平台构建。 项目目前已完成实验室样机研制，并完成了实验室和外场实验。系统探测距离:5km; 距离分辨率:50m;风速测量精度:0.5 m/s; 风速测量范围:±30m/s;时间分辨率:1s。正在进行全光纤三维风场测量激光雷达的样机小型化，实现小试的阶段性目标，同时寻求企业支持，适时开展中试阶段。

现阶段主要完成样机的小型化和商业化，完成从样机到小试阶段的转变，同时自主完成基于windows环境下的激光雷达应用软件设计。 主要技术突破包括：（1）、高速数据采集电路自研，完成120M采样率的测风雷达信号采集。（2）、利用FPGA的实时特性，实现数字滤波、频谱转换校正、风场反演等算法的硬件化，提高信号处理的效率。（3）、高精度三维扫描装置的研发。设计一个基于四波束扫描的扫描系统，与上位机工作时序配合，实现上位机风场系统测量精度的校正和全自动测量；（4）、上位机windows环境下激光测风雷达应用软件研发，解决多线程实现在线三维风场信号实时测量。 知识产权目标主要集中在2个点，一个是FPGA算法在实现现有算法的过程中，一些关键技术的改进，另一个是上位机软件设计中，如何采用多线程实现三维风场实时测量的软件设计方案。产生2-3项授权专利。 项目完成后，在保证已有探测距离和测量精度的基础上，信号处理模块以USB附件的形式提供，同时由于引入了FPGA技术和上位机软件多线程技术，将时间分辨率降低到优于1s以内。同时开发的全自动三维扫描装置，配合上位机软件，实现一键全自动风场信息实时获取。 产品推广应用主要聚焦3个应用领域：（1）航空、安全方面。可作为飞机场风场高精度监测，飞机动力学特性分析。（2）风力发电方面。和传统的测风塔获取风速数据方式相比，激光雷达在风电场测风技术优势更明显，体积小、重量轻、功耗小，精度高，可以和风机完美整合在一起，获取的雷达数据更丰富，可同时测得不同高度的水平、垂直风速、风向数据，入流角等；数据获取方便灵活，可满足各种地形项目数据测试；测量性能强大，满足较远距离下，多个高度层风参数据测量。(3)环境监测。多普勒测风激光雷达被公认为全球大气风场遥感的最佳方法，不仅能监测大气污染状态、实时发现大气污染源，还能对雾霾的形成和演化进行预报，且适合在机载、舰载、星载等平台的恶劣环境下运行。 完成上述工作合作：争取200万左右资金支持，完成小试阶段的整机设计后，获取完整的实验数据，与相关领域企业联系，获取实际应用背景和资金，尽快进入产品中试阶段的批量化实验阶段。

仅限国内转让

成果应用的市场规模：就全球激光测风雷达产业而言，产业结构相对集中。生产方面的大部分市场份额被三大巨头ZephIR、Leosphere和Sgurenergy所掌握，它们的总份额接近80%。英国巨头ZephIR拥有29%的生产市场份额，是激光测风雷达行业的领导者。中国是最大的消费场所，消费市场份额接近41%。欧洲是仅次于中国的第二大消费市场，占消费市场的32%。 涉及到的航空产业、风电能源、环保行业都是新兴大产业格局，市场规模增长很快，作为门槛较高的高技术产品，经济效益可观。 社会效益：精确的风场数据可应用于大气污染溯源和扩散预报、航空气象保障、气象气候学研究、风电系统的管理。中高层大气风场数据可以提供分析全球气候变化的能量，对研究全球气候变化和数值天气预报精度的提高非常重要。我国激光测风雷达整体水平起步较晚，近年来研究方向紧跟国际研究前沿，得到了迅速的发展。但大部分研究工作还处于实验室阶段，激光测风雷达的产业化对抢占未来相关技术主动权有重要的意义。 日本Mitsubishi公司从2004年开始研发全光纤脉冲相干激光雷达的商用样机,2005年研制出商用化的LR-05FC系列产品。后来不断对产品进行升级,2007年报导了结构更紧凑的相干测风激光雷达。风速的探测范围为±50 m/s，系统的有效探测距离为5 km,距离分辨率为30 m,速度的精度为0.14 m/s。法国LEOSPHERE公司成立于2004年,是集相干测风激光雷达的设计、研发、生产、销售和售后服务为一体的公司，代表产品有WINDE IRIS，WINDCUBE7/8/10，INDCUBE v2，WINDCUBE100S/200S/400S 等，广泛用于风能发电,航空天气预警,天气/气候研究和空气质量监控。2006年12月发布了用于气象研究的WINDCUBE系列产品，风速的探测范围为±50 m/s，系统的有效探测距离为5 km。英国QinetiQ公司基于光纤技术的1.548 um脉冲相干测风激光雷达,探测距离为500 m,距离分辨率为25 m,在30000发激光脉冲累积的情况下速度精度为0.29 m/s。本项目研发的三维风场测量激光雷达，国内目前无类似商业化产品。本项目产品技术参数：探测距离:5km;距离分辨率:50m;风速测量精度:优于0.5 m/s;风速测量范围:±30m/s。从体积、功耗、测量精度和测量范围等关键指标而言，体制技术优势明显。

北京市科技成果转化平台建设(高校院所技术转移能力建设)

北京市昌平区人民政府

风场在空气动力学、风能资源利用、军事航空安全领域、环境检测领域等起关键作用。精确的大气风场探测，对于数值天气预报、气候模型改进、军事环境预报、生化气体监控、机场风切变预警等具有重大意义。传统的风场的探测手段有无线电探空仪、天气微波雷达、多普勒声雷达、风廓线雷达等，声雷达易受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成回波信号。 目前已有的测风系统，主要由地基雷达和车载雷达组成，其探测原理主要是非相干探测，利用回波信号的频率的变化转化为能量的相对变化实现对大气风场的测量。但其对激光发射功率的要求较高，但是其探测距离较远。而近些年发展起来的全光纤测风激光雷达，逐渐因为其体积小，精度高的优点应用于大量测风场所。本项目开发的1550nm全光纤结构的相干测风激光雷达系统相比于其他测风设备具有体积小、重量轻、功耗低、精度高的优势。 本技术实际应用现状： （1）航空、安全方面 可解决严重影响航空安全的航空领域低空风切变检测难题湍流测量。反演出大气的湍流信息，并可对混合层的高度进行估计。 尾流测量，对飞机产生的飞机轴向的涡流进行提取与同类项目的对比分析。可作为飞机场风场高精度监测，飞机动力学特性分析。 （2）风力发电方面 和传统的测风塔获取风速数据方式相比，激光雷达在风电场测风技术优势更明显，体积小、重量轻、功耗小，精度高，可以和风机完美整合在一起，获取的雷达数据更丰富，可同时测得不同高度的水平、垂直风速、风向数据，入流角等；数据获取方便灵活，可满足各种地形项目数据测试；测量性能强大，满足较远距离下，多个高度层风参数据测量。 (3)环境监测 多普勒测风激光雷达被公认为全球大气风场遥感的最佳方法，不仅能监测大气污染状态、实时发现大气污染源，还能对雾霾的形成和演化进行预报，且适合在机载、舰载、星载等平台的恶劣环境下运行。 技术方案基本情况： （1）采用1550nm全光纤结构的相干测风激光雷达系统。1550nm波段的激光大气透过率较高、人眼曝光率最高、光纤损耗较低以及受天空背景辐射的影响较小；同时相干探测探测精度高、系统重量较轻；因此系统以光纤作为各个光学器件之间的光通道，使得系统具有稳定性高、结构简单小、集成度高等优点。 （2）采用自相关+Welch+能量重心校正法技术进行时-频转换，实现多普勒频移量的获取。 （3）采用三维锥扫装置与风场反演算法相结合的技术，实现由单波束径向风速获取三维风场。