宋小全， 王芳涵， 尹嘉萍， 王希濤， 劉曉英， 任文核， 吳松華

(1. 中國海洋大學信息科學與工程學院海洋技術系，山東 青島 266100； 2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室，山東 青島 266237； 3.青島鐳測創(chuàng)芯科技有限公司，山東 青島 266101)

隨著能源危機的嚴峻，世界各國日益重視新能源的開發(fā)與利用。風能儲量豐富，分布廣泛，是最有競爭力的可再生清潔能源之一[1]。風場特征測量是發(fā)展風電行業(yè)的基礎性工作，傳統(tǒng)的測風手段是風電測風塔，其建設成本較高、周期長、無法移動，為風場測量帶來很多不便。激光雷達測風是當前較為成熟的一種遙感測風技術，激光雷達體積小、重量輕、安置移動方便，目前已經被國內外風電相關機構廣泛應用[2]。近年來，國內外學者研究發(fā)現(xiàn)，商業(yè)化測風激光雷達的觀測數(shù)據(jù)質量與超聲風速計、風廓線雷達相當[3-10]。2017年3月，IEC接納測風激光雷達作為風場信息測量裝置為風電場進行風功率曲線測試和風資源評估[11]，推動了激光雷達在風電行業(yè)的應用。

多普勒測風激光雷達從工作原理上分為相干探測和非相干探測兩種。與非相干探測相比，相干探測精度高、信噪比高、易于集成、應用領域更廣。目前多普勒測風激光雷達的風場和風廓線波束掃描反演方法主要有VAD(Velocity Azimuth Display)[12]，VVP(Volume Velocity Processing)[13]，RHI(Range Height Indicator)[14]，DBS(Doppler Beam Swinging)[15]等。

DBS方法與其他反演方法相比，需要的波束更少，能夠在更短時間內完成，適用于氣流不穩(wěn)定的情況[15]。傳統(tǒng)的DBS方法是用五波束方法(DBS-5)反演風廓線，需要東、西、南、北、垂直五個方向的徑向數(shù)據(jù)[8]。三波束方法(DBS-3)可利用滿足條件的三個方向徑向數(shù)據(jù)反演出風廓線信息，測量時間更短，理論上可提高數(shù)據(jù)刷新率和獲取率，能夠在氣流不穩(wěn)定的情況下捕捉到更多風場特征。本文基于青島鐳測創(chuàng)芯科技有限公司W(wǎng)ind3D 6000型多普勒測風激光雷達系統(tǒng)及實測數(shù)據(jù)，利用三波束方法將標準產品level 0徑向風速數(shù)據(jù)進行重新計算和反演，并與由激光雷達內置五波束方法反演得到的標準產品level 2平均風廓線數(shù)據(jù)進行水平風速、風向等風場特征參數(shù)的比對和分析，取得了一致效果。

1 基本原理

多普勒測風激光雷達利用光的多普勒效應來實現(xiàn)。激光雷達向大氣中發(fā)射激光光束，光束在大氣中傳播時會受到大氣中氣溶膠等粒子對激光的散射作用，當氣溶膠等粒子相對于激光雷達有運動時(通常氣溶膠的整體移動速度即等效視為風速)，望遠鏡接收到的散射回波信號光與本振光在光電探測元件表面拍頻，得到一個差頻信號，即多普勒頻移。通過公式(1)可由多普勒頻移反演出氣溶膠運動在激光束方向上的分量，即徑向速度或徑向風速：

(1)

式中：fD為多普勒頻移；Vlos為徑向速度；V為氣溶膠相對激光雷達的運動速度；λ為發(fā)射激光的波長；γ為風向與激光光束的夾角。

五波束方法掃描模式如圖1(a)所示，該方法利用東西南北四個方向的徑向數(shù)據(jù)反演水平風場，垂直風速由垂直方向的波束直接測得，可用于復雜地形的風速校正，計算公式如下所示：

(2)

式中:u為北向南風速分量；v為東向西風速分量；VE、VW、VS、VN和VZ分別為東西南北和垂直方向上的徑向風速；θ為激光光束與水平面的夾角；Vh為水平風速；w為垂直風速。

(3)

三波束方法可利用相互正交的兩個方向加垂直方向共三個方向的徑向數(shù)據(jù)進行反演，如圖1(b)所示，理論上縮短了觀測時間，可提高數(shù)據(jù)刷新率和獲取率，僅用五波束方法約五分之三的時間即可反演出風廓線結果，計算公式如下：

(4)

圖1 掃描原理圖

2 實驗概況

2.1 實驗地點

實驗場地位于中國海洋大學嶗山校區(qū)信息南樓西側，實驗場景如圖2所示。實驗觀測時間自2018年7月4～16日，共13 d。

2.2 實驗儀器

本研究使用的觀測設備為青島鐳測創(chuàng)芯科技有限公司提供測試的Wind3D 6000型測風激光雷達，是一種小型三維掃描型系統(tǒng)，測量45～6 000 m高度范圍的風速、風向廓線，輸出秒級、平均風廓線數(shù)據(jù)，可用于風資源評估、功率預測的風廓線測量[16]，具體技術參數(shù)如表1所示。

圖2 激光雷達測量現(xiàn)場

激光雷達標準數(shù)據(jù)產品包括level 0徑向風速數(shù)據(jù)、level 1秒級風廓線數(shù)據(jù)、level 2平均風廓線數(shù)據(jù)等。level 0徑向數(shù)據(jù)是某波束的徑向風速數(shù)據(jù)，即風速在測量波束方向的速度分量；level 1秒級數(shù)據(jù)由系統(tǒng)內置的標準五波束方法實時計算得到；level 2數(shù)據(jù)的平均時間可在測量前設置，根據(jù)GB/T 18451.2—2003中對測風數(shù)據(jù)的要求[17]，本次實驗設置的平均時間為10 min。

表1 激光雷達技術參數(shù)

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 數(shù)據(jù)處理及質量控制

三波束方法利用激光雷達的level 0徑向數(shù)據(jù)中的垂直波束與兩個相互正交的波束進行計算，我們隨機選取了北、東、垂直三個方向，計算方法見公式(4)。

在實際觀測中，激光雷達探測的信號包含有用回波信號和噪聲信號，激光雷達所測量的原始數(shù)據(jù)的精度主要受設備噪聲的影響，取決于回波信號和噪聲的比值，即信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)，信噪比是一個十分重要的性能指標，反映了系統(tǒng)探測能力的強弱。

在對原始回波信號進行處理時，首先對傅里葉變換譜數(shù)據(jù)進行平均，以去除背景噪聲、提高信噪比；同時利用聲光調制器將中頻信號的頻率提高，去掉相對強度噪聲。但此時信號光中的散粒噪聲仍會對風速反演造成影響，因此在數(shù)據(jù)處理時需要對低信噪比引起的失真風速信號進行去除。文章利用設定信噪比門限閾值的方法進行質量控制，計算前先對北、東、垂直三個方向的信噪比SNRN、SNRE、SNRZ進行判斷，若高于信噪比門限閾值則進行計算，否則將其視為無效信號，不參與計算和分析[13]。

設置信噪比門限閾值可能會剔除一部分無效信號，如果無效信號太多，可能會導致該時段有效數(shù)據(jù)過少、該組數(shù)據(jù)不具代表性。為避免此類情況，對秒級數(shù)據(jù)進行10 min平均處理時，設定一個數(shù)據(jù)有效率門限閾值進行數(shù)據(jù)質量控制。數(shù)據(jù)有效率定義為質量控制后有效數(shù)據(jù)點數(shù)占該時間段內數(shù)據(jù)總點數(shù)的比值，可由公式(5)得到。

(5)

式中：κ為該時間段內的數(shù)據(jù)有效率；Nvalid為該時間段內有效數(shù)據(jù)點數(shù)；Ntotal為該時間段內數(shù)據(jù)總點數(shù)。當10 min內數(shù)據(jù)有效率大于該門限閾值時，對其進行平均處理，否則將該時間段的數(shù)據(jù)視為無效數(shù)據(jù)，不進行比對分析。

數(shù)據(jù)質量控制的流程如圖3所示。文章綜合考慮對觀測數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)完整率的影響，設定了信噪比門限閾值、數(shù)據(jù)有效率門限閾值兩個判據(jù)來減小原始數(shù)據(jù)噪聲的影響。為期13 d的測量期間，以90 m高度上共取得1 781組10 min平均數(shù)據(jù)為例，經質量控制后得到1 752組有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效率為98.37%，滿足使用需求。數(shù)據(jù)無效或缺失可能是由降雨、氣溶膠或極端天氣引起[3]。

對秒級數(shù)據(jù)進行平均處理時，風速平均采用算術平均法，風向平均采用矢量平均法，能夠很好地解決風向變化跨零的問題，是目前最準確的風向平均方法[18]。

圖3 質量控制流程圖

3.2 數(shù)據(jù)分析

針對風資源評估與風功率曲線印證常見的風機高度與葉輪直徑，文章主要選取90 m高度的測量數(shù)據(jù)進行分析和比對。

3.2.1 時間序列分析 圖4為90 m高度風速和風向的時間序列圖，為期13 d的測量共獲取1 752組有效比對數(shù)據(jù)點對，紅線表示用三波束方法的計算結果，藍線表示激光雷達內置五波束方法的計算結果?？梢钥闯觯瑑煞N方法反演得到的風速和風向在變化趨勢和數(shù)值大小上始終保持較好的一致性。

3.2.2 相關性分析 為了更好的比對兩種方法在不同湍流條件下的處理結果異同，在做相關性分析時同時計算和考慮了湍流強度。湍流強度表征指定周期內水平風速的變化情況，可由公式(6)[19]得到。

(6)

圖4 90 m高度時間序列分析

圖5為90 m高度兩種方法計算結果的相關性分析，數(shù)據(jù)點的不同顏色表示湍流強度的不同大小。圖5(a)為風速值的相關性分析，可以看出，數(shù)據(jù)點集中在1∶1線附近，用最小二乘法求得的線性回歸方程的斜率為1.037 3決定系數(shù)為0.982 5，平均偏移量bias為0.28 m·s-1，平均偏移量為正表示三波束方法計算得到的風速值較系統(tǒng)標準產品數(shù)值偏大。圖6為90 m高度處不同湍流強度下風速的相關性分析，總體來看，湍流強度越大，數(shù)據(jù)點越偏離1∶1線，即兩種方法之間的差異越大。表2為不同湍流強度下兩種方法計算得到的風速的相關性分析，可以看出，隨著湍流強度的增大，相關系數(shù)有減小趨勢，平均偏移量的絕對值有增大趨勢。

圖5(b)為風向值的相關性分析，為消除風向跨零情況對數(shù)據(jù)分析的影響，根據(jù)IEC標準，在0°兩側分別剔除7.5°的數(shù)據(jù)，僅保留[7.5°，352.5°]扇區(qū)內的數(shù)據(jù)[11]，剔除扇區(qū)后有效比對數(shù)據(jù)點對為1 717組?？梢钥闯鼍€性回歸方程的斜率為0.988 1，決定系數(shù)為0.976 9，平均偏移量為0.38°，平均偏移量為正表示三波束計算得到的風向值較系統(tǒng)標準產品數(shù)值偏大。從圖中可以看出，風向一致性與湍流強度的關系與風速類似，湍流強度增大，兩種方法之間的差異呈現(xiàn)增大趨勢。

表3為77、90和181 m三個高度上風速值的相關性分析，可以看出三組數(shù)據(jù)都集中在1∶1線附近，決定系數(shù)均在0.98以上。

圖5 90 m高度相關性分析

圖6 90 m高度處不同湍流強度下的風速相關性分析

3.2.3 區(qū)間平均值分析 為了研究風速大小對兩種方法測量結果的影響，本研究對實驗數(shù)據(jù)進行了區(qū)間平均值的分析。根據(jù)IEC標準[11]，將風速分為1 m·s-1的風速區(qū)間，每個區(qū)間中心值為1 m·s-1的整數(shù)倍，若風速區(qū)間內數(shù)據(jù)點數(shù)小于6時不進行統(tǒng)計分析。

圖7表示90 m高度每個風速區(qū)間內三波束方法和五波束方法反演結果平均偏差的比對分析。圖7(a)表示每個風速區(qū)間內風速差的平均值分布情況，誤差棒表示三波束計算結果在該區(qū)間內的標準偏差，綠色折線表示風速在每個區(qū)間的分布情況。可以看出，風速數(shù)量統(tǒng)計符合威布爾分布，兩者風速差的平均值均在0～1 m·s-1范圍內，風速差為正表示三波束方法反演的風速較大。隨著風速的增大，兩者差異有逐漸增大的趨勢，兩種風廓線反演方法在存在差異的原因及各風速段哪種方法更準確有待進一步觀測和研究。圖7(b)表示每個風速區(qū)間內風向差的平均值分布情況，為減弱風向跨零對標準差的影響，當兩者風向差大于270°或小于-270°時，分別對其進行減或加360°?？梢钥闯?，隨風速增大，風向差的平均值和標準偏差均有減小趨勢。風向差平均值最大為21.96°，其標準偏差為14.19°，所在區(qū)間為0.5～1.5 m·s-1，這可能是由于風速過小導致，根據(jù)IEC標準，風速小于4 m·s-1的數(shù)據(jù)可不做比對和分析。

表2 不同湍流強度下的風速相關性分析

表3 不同高度的風速回歸性分析

圖8表示90 m高度風速和風向區(qū)間內平均值的相關性分析，圖8(a)表示每個1 m·s-1的風速區(qū)間內三波束和五波束風速差的平均值相關性分析，圖8(b)表示每個10°的風向扇區(qū)內三波束和五波束風向差的平均值相關性分析，誤差棒分別表示該風速(a)區(qū)間或風向(b)區(qū)間內三波束方法計算值(藍)和五波束方法計算值(綠)的標準偏差?？梢钥闯?，三波束方法反演的風速略大于五波束，隨著風速增大，三波束的標準偏差有增大趨勢。從圖8(b)可以看出，兩種方法反演出的風向一致性良好，決定系數(shù)和回歸曲線的斜率均為1；在每個區(qū)間內，三波束方法和五波束方法的標準偏差都很小，均集中在回歸曲線兩側。

圖7 每個區(qū)間內的平均偏差

除了北、東、垂直三個方向的波束進行反演外，同時對北、西、垂直(NWV)，南、東、垂直(SEV)和南、西、垂直(SWV)三種三波束組合進行了反演，并將反演結果與五波束進行了風速區(qū)間平均值的相關性分析。結果顯示，風速區(qū)間平均值的回歸曲線斜率分別為0.995 0(NWV)、1.030 8(SEV)、1.069 8(SWV)，風向區(qū)間平均值的回歸曲線斜率均為1.000 0。

圖8 90 m高度區(qū)間內平均值的相關性分析

4 結語

本研究利用三波束方法在中國海洋大學校園內對多普勒測風激光雷達Wind3D 6000實測數(shù)據(jù)進行了重新反演，經過信噪比和數(shù)據(jù)有效率門限閾值進行數(shù)據(jù)質量控制，與由激光雷達內置的五波束方法反演得到的標準產品level 2平均風廓線數(shù)據(jù)進行了水平風速、風向等風場特征參數(shù)的比對和分析。研究表明，兩種方法在不同高度上的變化趨勢和數(shù)值均呈現(xiàn)良好的一致性，三波束方法理論上能夠在更短時間內反演出風場特征、提高數(shù)據(jù)刷新率，兩種反演方法均適用于激光測風技術。

兩種方法計算結果的差異與風速及湍流強度大小有關。兩種方法計算結果在低風速區(qū)間和高風速區(qū)間的差異不同，且存在一定的變化趨勢，這種趨勢可能和該區(qū)間內數(shù)據(jù)量及風速本身大小有關。風速相關系數(shù)隨湍流強度增大而減小，標準偏差隨湍流強度的增大而增大。由于三波束與五波束兩種反演方法使用的數(shù)據(jù)水平空間尺度相差約一倍(在90 m高度處水平空間尺度分別為51.96和103.92 m)，當湍流強度增大時，風場均勻性條件下降，這種現(xiàn)象在低風速時更為顯著。但是，回歸曲線的斜率和平均偏移量均在湍流強度[0.4，0.6)內達到最小和最大，造成這種現(xiàn)象的原因可能和數(shù)據(jù)量有關。湍流強度為[0.6，0.8)的區(qū)間內僅有7組數(shù)據(jù)，可能無法完全代表該湍流強度下的一致性。

本研究對實驗數(shù)據(jù)進行了平均處理，三波束的數(shù)據(jù)刷新率優(yōu)勢僅通過理論分析，未進行實際的系統(tǒng)比對測量和數(shù)據(jù)分析，有待于進一步實驗研究。對北、東、垂直三個方向的波束組合的反演結果進行了相對完整的討論，其他波束組合的反演結果與北、東、垂直波束組合存在一定的差異但仍處于合理范圍內。不同湍流強下三波束反演方法與五波束反演方法的差異，一方面可能是由于三波束方法中利用了垂直波束數(shù)據(jù)做反演、而五波束風速反演中垂直風速影響相互抵消，因此受到湍流效應和垂直激光束指向誤差的影響更為明顯；另一方面，目前的測量結果在湍流強度較強時樣本較少，仍需在進一步的實驗中采用更多樣本開展研究。由湍流強度和風速大小引起的兩種方法之間的差異及何種方法更準確、不同穩(wěn)定性下的風場中三波束算法的具體優(yōu)勢、以及數(shù)據(jù)質量控制環(huán)節(jié)、系統(tǒng)測量誤差等其他引起兩者之間差異的原因也有待于進一步研究。