[科普中国]-声雷达

简介

声雷达是发射定向声脉冲并接收其散射回波的装置，是探测大气边界层气象要素的有效工具，例如：层云，逆温和锋面等。声雷达是利用雷达原理，发出声波并接收此声波散射回来的回波，以测量回波强度和目标物距离的设备。

原理声雷达用于探测低层大气的温度和风场的结构。声雷达定向发射一定频率的强声脉冲，接收声散射回波。分析声散射回波强度，可以判断大气的热力结构（如对流强弱、对流高度、逆温层等）和湍流情况；比较发射的声波和声散射回波频率的差异，可以计算风向、风速随时间和高度的变化。由于声波在大气中传播衰减很大，所以声雷达的探测高度受到限制，一般仅达一千米左右的高度。

声速和大气的温度和风速有关，当大气的温度和风速分布不均匀（有脉动）时就会对声波散射，而且声波的散射率要比电波或光波的散射率强一百万倍。所以用声波来测量温度和风的脉动很灵敏。

结构及分类一套完整的声雷达探测系统由天线、发射机、接收机、时序逻辑电路、数据采集和接口、微处理器、打印机和显示器、电源等几部分组成。

目前研制的声雷达有两种：

（1）单点声雷达探测系统由天线、发射机、接收机组成。它的发射和接收共用同一天线，可用以测定风向、风速；研究温度层结的时空变化以及逆温的高度、结构和生消规律；测定混合层的厚度等。1

（2）多普勒声雷达是向大气发射声脉冲，通过分析不同时间所反射回波信号的强度、多普勒频偏来确定大气各分层风速、风向以及湍流结构的气象仪器。为了能测湍流大气中三维风场，需要多个天线组阵探测。其最早由澳大利亚科学家McAllister }}}等在1968年开发，70年代初美国科学家D. W. Reran，C. G. Little理论上证明了利用声学回波探测技术通过测量回波多普勒频偏来计算大气风速以及逆温层结构的实际可行性。2

多普勒声雷达测量三维风速、风向的原理由Beran提出，我们于1980年进行过初步试验。用声雷达测量大气中的风速，首先要合理地设计和选取声雷达的参数，精确地侧量多普勒频偏值，其次，要在声雷达回波信号中正确地识别和提取可靠信号，以减少环境噪声对声雷达测风所造成的误差。此外，声波在大气中传输时，气象要素的平均量和湍流特性，对风速侧量的精度和可靠性会产生影响，为此，将声雷达探测的风速与气象仪器直接侧量的风速进行比较是十分必要的。在此基础上，对声雷达测风误差做合理订正，会进一步提高声雷达探测的精度和可靠性。3

应用声雷达具有灵敏度高、生产成本低，能获得独特的边界层湍流的动力和热力结构等优点，目前已广泛用于边界大气层的探测。机场、航空中心、靶场、核电站等用来测量边界层的风和湍流变化。将声雷达测得的大气参数输入污染扩散模式，还可用于环境监测和预警。

风电领域的应用目前主要的低空风测量手段主要有风廓线雷达、激光测风雷达和声雷达，风廓线雷达低空探测能力差，成本高，激光测风雷达探测性能受能见度影响大，寿命短，成本高，在风电领域应用有限。声雷达能够探测10米一200米范围的风速、风向、垂直气流，探测精度高，分辨率小，无需建塔，安全性高，建设、使用、维护方便，成本低，寿命长，环境适应能力强，是一种有效的风电场测风手段。4

声雷达在使用前，需要与测风塔超声波测风仪进行比对，确定声雷达的性能能够满足风电场测风需求。

（1）声雷达在国内外风电领域的应用

在国外，声雷达已广泛应用于风电领域，包括风资源测评、风机选址、风功率预测等，典型的产品主要有法国Remtech公司的PA一XS型声雷达、芬兰Vaisa-la公司Triton型声雷达、瑞典AQSystem公司AQ510型声雷达、美国ART公司VT一1型声雷达、德国Scintec公司MFAS型声雷达和德国Metek公司PCS2000一24型声雷达，共6型产品。

国外引进的声雷达价格昂贵，且存在气象信息泄露的安全隐患，而国内声雷达研制又相对落后。因此，国内声雷达在风电领域的应用相对滞后，主要是采用测风塔。中国电科三所在军用某型声雷达的基础上，针对风电场气象测量的需求，专门研制了WFMS一200型风电场气象监测声雷达，它是一款地面远程传感系统，可测量10一200 m高度的风速风向和地面温、湿、压等气象信息，产品性能达到国外同类产品水平，价格大幅降低，完全自主可控，不存在气象信息泄露的隐患，具备在风电领域大规模推广应用的条件。

（2）声雷达测风原理

声雷达采用收/发可逆相控阵天线，通过相位控制，向天顶、东、南、西、北5个方向顺序发射声信号，分别采集每个方向的后向散射回波，对回波信号进行多脉冲非相干积累，然后估计回波多普勒频率，利用回波多普勒原理，计算每个方向的径向风速，最后根据5个波束的几何关系，计算三维风速。

声雷达测量的是某一高度区域和某一时间区域的平均风速，是在空间和时间的平均，一般高度区域为10 m，时间区域为10 min。

风电场声雷达作为一种有效的低空风测量手段，测量精度能够满足风电场应用需求，可以用于风资源测评、风机选址、风电场运行中的风功率实时监测等。与测风塔、风廓线雷达、激光测风雷达等手段相比，建设、使用、维护方便，成本低，寿命长，是一种有效的风电场用测风手段。4

（3）声雷达低空测量技术特点：

灵活的测量范围：可在 10m~200m区间任设测量高度。

高可靠性：可在极端气候条件下，包括-40℃至60℃极端环境下运行安装在世界各地400多套声雷达， 运行时间已超过350万小时。

超低功耗： 只需7w的电源支持其运作， 其功耗远小于其他雷达系统。

捕捉紊流：直接测量不同层高的风速切变、风向切变和紊流强度。

安装简单快捷：运达现场即可安装调试。

实时监控： 可随时获取数据和监控数据。

业界认可的校验：包括IEC等效功率测验、陆地风场的大量测验以及测风塔校验。

（4）注意事项

用声雷达测量大气中的风速，首先要合理地设计和选取声雷达的参数，精确地侧量多普勒频偏值，其次，要在声雷达回波信号中正确地识别和提取可靠信号，以减少环境噪声对声雷达测风所造成的误差。此外，声波在大气中传输时，气象要素的平均量和湍流特性，对风速侧量的精度和可靠性会产生影响，为此，将声雷达探测的风速与气象仪器直接侧量的风速进行比较是十分必要的。在此基础上，对声雷达测风误差做合理订正，会进一步提高声雷达探测的精度和可靠性。

湍流特征测定声雷达可以直接测量温度脉动谱ΦT（K0）或温度结构系数务值。由于大气中谱的尺度很宽, 在边界层大气中, 用声雷达测得的ΦT（K0）或 是一个随机量, 具有正偏态分布的特性, 并满足对数正态分布。

从ΦT（K0）的频谱分析中得到, 在频率为10-8一3×10-8秒-1的范围内, 存在着一个能量的峰值区, 峰值和高频之间, 能量的过渡带很陡。过去一般认为中尺度范围是大气谱段中能量的低值区。研究发现, 在中尺度范围内, 无论在稳定或不稳定层结, 经常存在着几分钟到十几分钟的周期活动, 并对能量产生较大的贡献。

在大气边界层内, 不论是稳定层结或不稳定层结的情况, 都经常存在着几分钟到十几分钟的周期活动。白天在不稳定层结下的对流活动和夜间稳定层结情况下所出现的逆温层的波动或重力内波, 都具有十分钟左右的周期。它们都会对湍谱的中尺度范围内出现的峰值能量作出贡献。这种十分钟左右的周期运动的存在, 使我们对湍流谱的分析和湍流运动的认识, 必须作进一步的考虑。除了数千公里的水平不均匀和由于地面边界作用造成的垂直方向上的不均匀所构成的大气湍流能量来源以外, 十分钟周期的中尺度活动必然是引起大气湍流运动的重要因子和能量来源。由于大气运动始终处于高雷诺数状态, 因此, 这种尺度的不稳定性, 必定要把它的能量向小尺度湍流运动输送, 这样就使得小尺度湍流运动的能量来源更为复杂。这是今后湍流研究工作中需要引起注意的问题之一。

由于大气湍流谱的范围很宽, 因此, 在气象观测中, 如何确定气象要素和其它物理量的平均值, 这是一个困难的问题。因为不同的平均时间所得到的平均值也是不同的。一般认为, 只要平均时间显著的超过湍谱中小尺度峰值出现的周期, 就能得到比较稳定的值。出现小尺度峰值的周期, 一般为几十秒, 所以过去一些学者认为用十分钟作为取得平均值的平均时间就足够了。但研究观测表明, 在大气边界层经常存在几分钟到十几分钟周期的峰值。在这种情况下, 用十分钟作为平均时间, 可能是不够的。近年来,陆续有人提出,要获得稳定的气象要素的平均值(或湍谱) , 就需要20 到30 分钟, 这可能与上述的周期活动有关。因此, 在进行气象观测时, 平均时间的选择是需要的。5

划分大气稳定度声雷达是一种新型的边界层大气遥感探测设备，目前在大气湍流，环境污染等方面已得到广泛应用。1984年Singal等人首先研究利用声雷达资料划分大气稳定度，从而为我们判别大气稳定度提供了一种新方法。我国开始使用声雷达技术的时间较短，这方面的工作尚未开展。

1、利用声雷达资料划分大气稳定度作为一种新方法是可行的。声雷达回波具有连续，直观的特点，可以简便的根据声雷达回波图像划分大气稳定度。

2、利用声雷达资料划分的大气稳定度其平均状况与双向风标的a、值所划分的比较接近。由于声雷达回波显示的整个的边界层内的垂直状况。因此，用声雷达资料所划分的稳定度进行大气扩散的计算，在许多方面可能会更符合实际情况。

3、当把大气稳定度简单的分成稳定，不稳定和中性三类时，声雷达所划分出的稳定度与双向风标的σv和P-T法有较好的一致性。6