eng
Выпуск #6/2014
М. Андреев, Д. Васильев, М. Пенкин, С. Смоленцев, А. Борейшо, Д. Клочков, М. Коняев, А. Орлов, А. Чугреев
Когерентные допплеровские лидары для мониторинга ветровой обстановки
Когерентные допплеровские лидары для мониторинга ветровой обстановки
Просмотры: 10497
Рассматриваются принципы работы когерентных допплеровских лидаров для непрерывного мониторинга ветровой обстановки на малых и средних высотах, приводятся их технические и метрологические характеристики.
Теги: air service safety doppler lidar heterodyne detection wind lidar wind-shear безопасность авиаперевозок ветровой лидар гетеродинное детектирование допплеровский лидар сдвиг ветра
В
етровой лидар (LIDAR – LIght Detection And Ranging (англ.)) предназначен для измерения скорости и направления ветра на дистанциях до нескольких километров, детектирования опасных метеоявлений в чистой атмосфере. Лидарный мониторинг ветровой обстановки применяется для обеспечения безопасности в авиации, в ветроэнергетике и других областях. В допплеровском лидаре, как и в радаре, скорость движущегося объекта определяется по сдвигу частоты отраженного электромагнитного излучения. Метеорадар коротковолнового радиодиапазона позволяет измерять параметры ветра при наличии облаков, дождя, снега или плотного атмосферного аэрозоля. Некоторые опасные метеоявления, такие как микропорывы ветра и турбулентные вихри, присутствуют и при высокой прозрачности воздуха; их визуализация возможна посредством лидарного зондирования. Важной задачей является детектирование спутных следов самолетов поблизости от взлетно-посадочной полосы [1,2].
На высотах до 2–3 км в атмосфере всегда присутствует приземный слой естественного аэрозоля с размером частиц 0,1–10 мкм, то есть порядка длин волн оптического диапазона. Согласно теории рассеяния Ми, этим обусловливается бóльшая эффективность обратного отражения лазерного излучения от чистой атмосферы по сравнению с радиоволнами.
В настоящее время в мире несколько предприятий серийно производят ветровые лидары. Наиболее успешными являются разработки французской компании Leosphere серии Windcube, английских Qinetiq (лидар Zephir), и SgurrEnergy (лидар Galion) и американской компании CTI Lockheed Martin (лидар WindTracer). Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" (Санкт-Петербург, Россия) является отечественным разработчиком и единственным серийным изготовителем ветровых лидаров в России. В 2008 году был дан старт разработкам, и уже в 2013 году ветровой лидар для мониторинга ветровой обстановки на малых высотах с целью обеспечения безопасности при взлете и посадке самолетов получил сертификат Межгосударственного авиационного комитета (МАК). В разработанных ООО "НПП "Лазерные Системы" лидарах ПЛВ300 и ПЛВ2000 используется лазерный излучатель с длиной волны в безопасного для глаз диапазона 1,55 мкм.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ НЕПРЕРЫВНОГО И ИМПУЛЬСНОГО КОГЕРЕНТНЫХ ДОППЛЕРОВСКИХ ЛИДАРОВ
При отражении излучения лазера от частиц аэрозоля, увлекаемых ветровым потоком, наблюдается допплеровский сдвиг частоты колебаний световой волны [3]. Разница частот зондирующего излучения и регистрируемого сигнала обратного рассеяния соответствует радиальной составляющей скорости ветра:
,
где Vr – радиальная составляющая скорости ветра, то есть проекция мгновенного вектора скорости V = {Vx, Vy, Vz} на направление зондирования, – непосредственно измеряемый допплеровский сдвиг частоты лазерного излучения, λ – длина волны зондирующего излучения.
Для длины волны 1,55 мкм сдвиг частоты, соответствующий 1 м/с радиальной скорости, равен приблизительно 1,3 МГц. Измерение разницы частот зондируемого и обратно отраженного оптического излучения в лидарах ПЛВ300 и ПЛВ2000 проводится в режиме гетеродинного приема. При оптическом смешении принимаемого излучения с опорным в электрической цепи фотоприемника появляется частотная составляющая, соответствующая допплеровскому сдвигу. Положение максимума допплеровского пика фурье-преобразованного сигнала соответствует скорости ветра в измеряемом объеме воздуха (рис.1). Подробно алгоритм нахождения пика в частотном спектре описан в [4].
Пространственное разрешение измерений определяется режимом работы лазера, оптической схемой лидара и способом обработки данных. Существуют два типа лидаров – с непрерывным и импульсным источниками излучения.
В лидаре непрерывного излучения дистанция по трассе измерения задается областью фокусировки лазерного луча приемо-передающим телескопом с переменным фокусным расстоянием. Пространственное разрешение Fn можно считать по полуширине весовой функции Лоренца, определяющей эффективность рассеяния из фокальной точки:
, (1)
где: f – дистанция фокусировки, r – дистанция по лучу, Zr – рэлеевская длина перетяжки.
Такая схема обеспечивает аккуратное профилирование ветра по высоте на малых высотах (10–150 метров) с высоким пространственным разрешением (1–20 м) при диаметре апертуры телескопа 100 мм. Зависимость полуширины весовой функции Лоренца от дистанции фокусировки является квадратичной, поэтому пространственное разрешение измерений ухудшается с высотой (рис.2).
Импульсный лидар позволяет проводить измерения на больших высотах. Пространственное разрешение (дискретизация по трассе измерения) такого лидара определяется длительностью импульса излучения и является постоянной на всех высотах зондирования (см. рис.2). Для проведения измерений требуются импульсы с длительностью не менее 400 нс, что соответствует пространственному разрешению 60 м. Использовать более короткие импульсы нецелесообразно, так как это привело бы к уменьшению точности измерения скорости ветра: чем меньше длительность оптического импульса, тем шире его частотный спектр, согласно принципу неопределенности Гейзенберга.
На дистанциях измерений менее 300 м непрерывный лидар имеет лучшее пространственное разрешение, что делает его незаменимым инструментом для детектирования низковысотного сдвига ветра и (или) микропорывов на ответственных участках глиссады, которые чрезвычайно опасны при посадке или взлете воздушного судна. В то же время на высотах более 300 метров преимущество оказывается у импульсного лидара ПЛВ2000 благодаря фиксированному пространственному разрешению.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛИДАРОВ ПЛВ300 И ПЛВ2000
В ООО "НПП "Лазерные системы" разработана серия автономных лидарных профилометров [2] для непрерывного мониторинга ветровой обстановки (рис.3). Основные технические характеристики лидаров представлены в таблице.
ПЛВ300 и ПЛВ2000 являются когерентными допплеровскими лидарами. Принципиальная схема лидаров представлена на рис.4. Балансный фотоприемник обеспечивает выделение слабого сигнала разностной частоты, который затем усиливается и оцифровывается высокоскоростным АЦП с частотой 100 МГц для ПЛВ300 и 320 МГц для ПЛВ2000. Быстрое фурье-преобразование сигнала производится программируемой логической интегральной схемой (FPGA, Field-Programmable Gate Array) в режиме реального времени (рис.5).
При фиксированном положении оси зондирующего пучка лидар измеряет лишь радиальную составляющую вектора скорости ветра. Чтобы получить полную информацию о скорости и направлении ветра V = {Vz, Vx, Vy}, требуется провести измерения как минимум в трех различных направлениях зондирующего пучка.
В ПЛВ300 параметры ветра рассчитываются по методу кругового сканирования – VAD (Velocity Azimuth Display). Угол отклонения оптической оси от вертикали составляет 22°. Перестраиваемый приемо-передающий телескоп фокусирует выходное излучение на заданном расстоянии, формируя в пространстве объем, в котором измеряется радиальная проекция скорости ветра (рис.6а). При непрерывном вращении сканера по углу азимута скорость ветра рассчитывается из переопределенной системы уравнений по методу наименьших квадратов [5].
ПЛВ2000 имеет двухзеркальный сканирующий модуль, позволяющий проводить измерения в любом направлении в верхней полусфере. В лидаре реализованы следующие основные режимы сканирования, используемые для описания ветровой обстановки:
круговое (секторное) сканирование PPI (Plan Position Indicator) – угол сканера изменяется непрерывно по азимуту при фиксированном угле места;
сканирование в вертикальной плоскости RHI (Range Height Indicator) – угол места варьируется, а азимутальный угол – фиксированный;
режим профилометра DBS (Doppler Beam Swinging), VAD (Velocity Azimuth Display) – измерения проводятся при фиксированном угле места 30° от вертикали.
измерение в одном положении сканера line-of-sight (LOS) – азимутальный угол и угол места остаются фиксированным во время измерения.
РЕЗУЛЬТАТЫ СЕРТИФИКАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ПЛВ300
Для проверки точности измерений скорости и направления ветра ПЛВ300 были проведены сертификационные испытания на базе измерительного комплекса ВММ-310 ФГБУ "НПО "Тайфун" (рис.6б). Комплекс оснащен метеорологическим оборудованием МК-15 с ультразвуковыми анемометрами. Измерения лидара сравнивались с данными датчиков, установленных на рабочих уровнях мачты 8, 25, 73, 121, 217 и 301 м.
Эксперименты проводились в разные времена года в широком диапазоне метеоусловий. Максимальные абсолютные погрешности измеренной лидаром ПЛВ300 скорости и направления ветра при всех проверках находились в пределах заданных Сертификационными требованиями (Базисом) погрешностей измерений (±10% по скорости и ±10° по направлению) [6].
На основании проведенных испытаний (рис.7 и 8) Комиссией МАК по сертификации аэродромов и оборудования на профилометр ПЛВ 300 получен сертификат типа оборудования № 544.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ветровые лидары безопасного для глаз спектрального диапазона позволяют получать информацию о направлении и скорости ветра на различных высотах, а также визуализировать неоднородность ветровых полей.
Профилометр лидарный ветровой ПЛВ300 (ветровой лидар непрерывного излучения) благодаря высокому пространственному разрешению позволяет детектировать низковысотные сдвиги ветра, микропорывы на высотах до 300 м. Импульсный ветровой лидар ПЛВ2000 осуществляет дистанционный мониторинг и сканирование ветровых полей на дистанциях до нескольких километров.
ЛИТЕРАТУРА
Борейшо А. С., Коняев М. А., Морозов А. В., и др. Мобильные многоволновые лидарные комплексы. – Квантовая Электроника, 2005. № 12 (35), с.1167–1177.
http://www.lsystems.ru/products/9/42/
Протопопов В. В., Устинов Н. Д. Лазерное гетеродинирование/ Под. ред. Н. Д. Устинова. – М.: Наука, 1985.
Ахметьянов В. Р., Васильев Д. Н., Коняев М. А., и др. Методы и алгоритмы обработки данных ветрового когерентного допплеровского лидарного профилометра с коническим сканированием. – Журнал Радиоэлектроники, 2013, № 10.
Савин А. В., Коняев М. А. Допплеровские метеолидары для систем обеспечения вихревой безопасности полетов. – Метеоспектр, 2008, № 1, c. 147–152.
Ахметьянов В. Р., Васильев Д. Н., Клочков Д. В., Коняев М. А., Пенкин М. С., Орлов А. Е. и др. Лидарный допплеровский профилометр для измерения параметров ветра в составе наземного комплекса метеорологического обеспечения аэронавигации. – Авиакосмическое приборостроение, 2013, № 9, c. 41–52.
етровой лидар (LIDAR – LIght Detection And Ranging (англ.)) предназначен для измерения скорости и направления ветра на дистанциях до нескольких километров, детектирования опасных метеоявлений в чистой атмосфере. Лидарный мониторинг ветровой обстановки применяется для обеспечения безопасности в авиации, в ветроэнергетике и других областях. В допплеровском лидаре, как и в радаре, скорость движущегося объекта определяется по сдвигу частоты отраженного электромагнитного излучения. Метеорадар коротковолнового радиодиапазона позволяет измерять параметры ветра при наличии облаков, дождя, снега или плотного атмосферного аэрозоля. Некоторые опасные метеоявления, такие как микропорывы ветра и турбулентные вихри, присутствуют и при высокой прозрачности воздуха; их визуализация возможна посредством лидарного зондирования. Важной задачей является детектирование спутных следов самолетов поблизости от взлетно-посадочной полосы [1,2].
На высотах до 2–3 км в атмосфере всегда присутствует приземный слой естественного аэрозоля с размером частиц 0,1–10 мкм, то есть порядка длин волн оптического диапазона. Согласно теории рассеяния Ми, этим обусловливается бóльшая эффективность обратного отражения лазерного излучения от чистой атмосферы по сравнению с радиоволнами.
В настоящее время в мире несколько предприятий серийно производят ветровые лидары. Наиболее успешными являются разработки французской компании Leosphere серии Windcube, английских Qinetiq (лидар Zephir), и SgurrEnergy (лидар Galion) и американской компании CTI Lockheed Martin (лидар WindTracer). Научно-производственное предприятие "Лазерные системы" (Санкт-Петербург, Россия) является отечественным разработчиком и единственным серийным изготовителем ветровых лидаров в России. В 2008 году был дан старт разработкам, и уже в 2013 году ветровой лидар для мониторинга ветровой обстановки на малых высотах с целью обеспечения безопасности при взлете и посадке самолетов получил сертификат Межгосударственного авиационного комитета (МАК). В разработанных ООО "НПП "Лазерные Системы" лидарах ПЛВ300 и ПЛВ2000 используется лазерный излучатель с длиной волны в безопасного для глаз диапазона 1,55 мкм.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ НЕПРЕРЫВНОГО И ИМПУЛЬСНОГО КОГЕРЕНТНЫХ ДОППЛЕРОВСКИХ ЛИДАРОВ
При отражении излучения лазера от частиц аэрозоля, увлекаемых ветровым потоком, наблюдается допплеровский сдвиг частоты колебаний световой волны [3]. Разница частот зондирующего излучения и регистрируемого сигнала обратного рассеяния соответствует радиальной составляющей скорости ветра:
,
где Vr – радиальная составляющая скорости ветра, то есть проекция мгновенного вектора скорости V = {Vx, Vy, Vz} на направление зондирования, – непосредственно измеряемый допплеровский сдвиг частоты лазерного излучения, λ – длина волны зондирующего излучения.
Для длины волны 1,55 мкм сдвиг частоты, соответствующий 1 м/с радиальной скорости, равен приблизительно 1,3 МГц. Измерение разницы частот зондируемого и обратно отраженного оптического излучения в лидарах ПЛВ300 и ПЛВ2000 проводится в режиме гетеродинного приема. При оптическом смешении принимаемого излучения с опорным в электрической цепи фотоприемника появляется частотная составляющая, соответствующая допплеровскому сдвигу. Положение максимума допплеровского пика фурье-преобразованного сигнала соответствует скорости ветра в измеряемом объеме воздуха (рис.1). Подробно алгоритм нахождения пика в частотном спектре описан в [4].
Пространственное разрешение измерений определяется режимом работы лазера, оптической схемой лидара и способом обработки данных. Существуют два типа лидаров – с непрерывным и импульсным источниками излучения.
В лидаре непрерывного излучения дистанция по трассе измерения задается областью фокусировки лазерного луча приемо-передающим телескопом с переменным фокусным расстоянием. Пространственное разрешение Fn можно считать по полуширине весовой функции Лоренца, определяющей эффективность рассеяния из фокальной точки:
, (1)
где: f – дистанция фокусировки, r – дистанция по лучу, Zr – рэлеевская длина перетяжки.
Такая схема обеспечивает аккуратное профилирование ветра по высоте на малых высотах (10–150 метров) с высоким пространственным разрешением (1–20 м) при диаметре апертуры телескопа 100 мм. Зависимость полуширины весовой функции Лоренца от дистанции фокусировки является квадратичной, поэтому пространственное разрешение измерений ухудшается с высотой (рис.2).
Импульсный лидар позволяет проводить измерения на больших высотах. Пространственное разрешение (дискретизация по трассе измерения) такого лидара определяется длительностью импульса излучения и является постоянной на всех высотах зондирования (см. рис.2). Для проведения измерений требуются импульсы с длительностью не менее 400 нс, что соответствует пространственному разрешению 60 м. Использовать более короткие импульсы нецелесообразно, так как это привело бы к уменьшению точности измерения скорости ветра: чем меньше длительность оптического импульса, тем шире его частотный спектр, согласно принципу неопределенности Гейзенберга.
На дистанциях измерений менее 300 м непрерывный лидар имеет лучшее пространственное разрешение, что делает его незаменимым инструментом для детектирования низковысотного сдвига ветра и (или) микропорывов на ответственных участках глиссады, которые чрезвычайно опасны при посадке или взлете воздушного судна. В то же время на высотах более 300 метров преимущество оказывается у импульсного лидара ПЛВ2000 благодаря фиксированному пространственному разрешению.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛИДАРОВ ПЛВ300 И ПЛВ2000
В ООО "НПП "Лазерные системы" разработана серия автономных лидарных профилометров [2] для непрерывного мониторинга ветровой обстановки (рис.3). Основные технические характеристики лидаров представлены в таблице.
ПЛВ300 и ПЛВ2000 являются когерентными допплеровскими лидарами. Принципиальная схема лидаров представлена на рис.4. Балансный фотоприемник обеспечивает выделение слабого сигнала разностной частоты, который затем усиливается и оцифровывается высокоскоростным АЦП с частотой 100 МГц для ПЛВ300 и 320 МГц для ПЛВ2000. Быстрое фурье-преобразование сигнала производится программируемой логической интегральной схемой (FPGA, Field-Programmable Gate Array) в режиме реального времени (рис.5).
При фиксированном положении оси зондирующего пучка лидар измеряет лишь радиальную составляющую вектора скорости ветра. Чтобы получить полную информацию о скорости и направлении ветра V = {Vz, Vx, Vy}, требуется провести измерения как минимум в трех различных направлениях зондирующего пучка.
В ПЛВ300 параметры ветра рассчитываются по методу кругового сканирования – VAD (Velocity Azimuth Display). Угол отклонения оптической оси от вертикали составляет 22°. Перестраиваемый приемо-передающий телескоп фокусирует выходное излучение на заданном расстоянии, формируя в пространстве объем, в котором измеряется радиальная проекция скорости ветра (рис.6а). При непрерывном вращении сканера по углу азимута скорость ветра рассчитывается из переопределенной системы уравнений по методу наименьших квадратов [5].
ПЛВ2000 имеет двухзеркальный сканирующий модуль, позволяющий проводить измерения в любом направлении в верхней полусфере. В лидаре реализованы следующие основные режимы сканирования, используемые для описания ветровой обстановки:
круговое (секторное) сканирование PPI (Plan Position Indicator) – угол сканера изменяется непрерывно по азимуту при фиксированном угле места;
сканирование в вертикальной плоскости RHI (Range Height Indicator) – угол места варьируется, а азимутальный угол – фиксированный;
режим профилометра DBS (Doppler Beam Swinging), VAD (Velocity Azimuth Display) – измерения проводятся при фиксированном угле места 30° от вертикали.
измерение в одном положении сканера line-of-sight (LOS) – азимутальный угол и угол места остаются фиксированным во время измерения.
РЕЗУЛЬТАТЫ СЕРТИФИКАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ПЛВ300
Для проверки точности измерений скорости и направления ветра ПЛВ300 были проведены сертификационные испытания на базе измерительного комплекса ВММ-310 ФГБУ "НПО "Тайфун" (рис.6б). Комплекс оснащен метеорологическим оборудованием МК-15 с ультразвуковыми анемометрами. Измерения лидара сравнивались с данными датчиков, установленных на рабочих уровнях мачты 8, 25, 73, 121, 217 и 301 м.
Эксперименты проводились в разные времена года в широком диапазоне метеоусловий. Максимальные абсолютные погрешности измеренной лидаром ПЛВ300 скорости и направления ветра при всех проверках находились в пределах заданных Сертификационными требованиями (Базисом) погрешностей измерений (±10% по скорости и ±10° по направлению) [6].
На основании проведенных испытаний (рис.7 и 8) Комиссией МАК по сертификации аэродромов и оборудования на профилометр ПЛВ 300 получен сертификат типа оборудования № 544.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Ветровые лидары безопасного для глаз спектрального диапазона позволяют получать информацию о направлении и скорости ветра на различных высотах, а также визуализировать неоднородность ветровых полей.
Профилометр лидарный ветровой ПЛВ300 (ветровой лидар непрерывного излучения) благодаря высокому пространственному разрешению позволяет детектировать низковысотные сдвиги ветра, микропорывы на высотах до 300 м. Импульсный ветровой лидар ПЛВ2000 осуществляет дистанционный мониторинг и сканирование ветровых полей на дистанциях до нескольких километров.
ЛИТЕРАТУРА
Борейшо А. С., Коняев М. А., Морозов А. В., и др. Мобильные многоволновые лидарные комплексы. – Квантовая Электроника, 2005. № 12 (35), с.1167–1177.
http://www.lsystems.ru/products/9/42/
Протопопов В. В., Устинов Н. Д. Лазерное гетеродинирование/ Под. ред. Н. Д. Устинова. – М.: Наука, 1985.
Ахметьянов В. Р., Васильев Д. Н., Коняев М. А., и др. Методы и алгоритмы обработки данных ветрового когерентного допплеровского лидарного профилометра с коническим сканированием. – Журнал Радиоэлектроники, 2013, № 10.
Савин А. В., Коняев М. А. Допплеровские метеолидары для систем обеспечения вихревой безопасности полетов. – Метеоспектр, 2008, № 1, c. 147–152.
Ахметьянов В. Р., Васильев Д. Н., Клочков Д. В., Коняев М. А., Пенкин М. С., Орлов А. Е. и др. Лидарный допплеровский профилометр для измерения параметров ветра в составе наземного комплекса метеорологического обеспечения аэронавигации. – Авиакосмическое приборостроение, 2013, № 9, c. 41–52.
Отзывы читателей
