[发明专利]海洋浮标平台激光雷达三维风场剖面探测系统及探测方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋三维风场探测系统领域，尤其是一种能够进行远海自动化观测、成本低、测量精度高、时空分辨率高、实时连续、长期可靠的海洋浮标平台激光雷达三维风场剖面探测系统及探测方法。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，各沿海国家已经将海洋经济和海洋科技等领域的发展提升为国家级战略的高度，对海洋环境探测的需求也越来越高，亟需更精确、更精细、现场实时连续的剖面海洋环境精细化观测为海洋经济的发展保驾护航，为海洋科技和新能源利用的发展提供可靠的技术手段，为决策者提供宝贵的数据支持。海上大气的三维风场剖面信息是海洋环境探测的重要内容之一。

当前，根据工作平台的不同，海上大气三维风场剖面的探测手段主要有三种方式：卫星遥感、机载遥感和基于模型的预报。这三种方式虽然能够提供海上大气三维风场剖面参数，但存在着各种局限性：卫星和机载遥感的成本很高，空间分辨率较低，而且机载遥感的时间精细程度较差；基于模型的预报方法则存在误差较大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够进行远海自动化观测、成本低、测量精度高、时空分辨率高、实时连续、长期可靠的海洋浮标平台激光雷达三维风场剖面探测系统及探测方法。

本发明的技术方案是：海洋浮标平台激光雷达三维风场剖面探测系统，其特征是由测风激光雷达（1）、浮标平台（2）、气象资料观测模块（3）、海面资料观测模块（4），浮标平台姿态测量模块（5）、激光雷达风场补偿模块（6）和输出单元（7）组成，

其中，测风激光雷达（1）和气象资料观测模块（3）安装于浮标平台（2）甲板上，海面资料观测模块（4）、浮标平台姿态测量模块（5）、激光雷达风场补偿模块（6）和输出单元（7）分别安装在浮标平台（2）内部，所述气象资料观测模块（3）、海面资料观测模块（4）、浮标平台姿态测量模块（5）、激光雷达风场补偿模块（6）分别和输出单元（7）相连，并通过通信天线发送至指定客户端，所述浮标平台姿态测量模块（5）海与激光雷达风场补偿模块（6）相连。

所述测风激光雷达（1）用于观测激光传播路径上的多普勒频移，并进而得到径向风速，采用圆锥扫描，得到局部大气范围内多个方位、不同距离上的径向风速。全密封外壳以防潮防湿，在镜头外配备全自动长寿命专用电刷，按设定时间对镜头进行清理。

所述浮标平台（2）用于安装测风激光雷达系统和常规气象及海洋动力观测模块，并为各观测单元提供电源，电源采用太阳能电池板和蓄电池相结合的方式。

所述气象资料观测模块（3）用于观测近海面的温度、湿度、压强和风速风向等常规气象参数，为激光雷达测风提供参考和约束条件。

所述海面资料观测模块（4）用于观测波浪、海水温度、海流、盐度等常规海洋观测参数。

所述浮标平台姿态测量模块（5）用于测量浮标平台的艏向、横滚和纵摇等姿态参数，以补偿浮标平台运动对激光雷达测量三维风场剖面的影响。

所述激光雷达风场补偿模块（6）根据浮标平台的艏向、横滚和纵摇等姿态参数对测量的径向风场进行补偿，提高测量精度。

所述输出单元（7）用于将三维风场剖面数据和浮标观测到的常规气象和海洋环境参数进行统一编码，并通过一定的方式传输到指定终端。

海洋浮标平台激光雷达三维风场剖面探测系统的探测方法，其特征是包括下列步骤。

第一步、初始化激光雷达，设置激光雷达的探测高度、空间分辨率和数据更新率参数。

第二步、浮标平台通过气象资料观测模块、海面资料观测模块和浮标平台姿态测量模块得到常规的海洋环境参数、近海面气象参数和浮标平台艏向、横滚和纵摇的姿态参数。

第三步、激光雷达发射激光波束，并在小范围做圆锥扫描，根据大气中气溶胶粒子的后向散射回波与本地激光做相干处理，得到回波的多普勒频移，进而得到径向风速和距离，综合第二步得到的浮标平台姿态参数得到径向风速的方位。

第四步、激光雷达风场补偿模块根据第二步得到的浮标平台艏向、横滚和纵摇的姿态参数对第三步得到的径向风速进行补偿，进而得到浮标平台上空局部大气的三维风场剖面参数。

第五步、输出单元将第二步得到的海洋环境参数、近海面气象参数、浮标平台艏向、横滚和纵摇的姿态参数及第四步得到的三维风场剖面参数进行编码，并通过通信天线发送至指定客户端。

本发明的有益效果是：将浮标平台和激光雷达相结合，不仅克服传统浮标仅能进行单点观测的缺陷，而且将激光雷达剖面观测优势扩展到气象观测领域亟需的海洋中，有效获得海洋中现场、实时、连续的三维风剖面。