基本介紹
簡介,原理,結構及分類,套用,風電領域的套用,湍流特徵測定,劃分大氣穩定度,
簡介
聲雷達是發射定向聲脈衝並接收其散射回波的裝置，是探測大氣邊界層氣象要素的有效工具，例如：層雲，逆溫和鋒面等。聲雷達是利用雷達原理，發出聲波並接收此聲波散射回來的回波，以測量回波強度和目標物距離的設備。
原理
聲雷達用於探測低層大氣的溫度和風場的結構。聲雷達定向發射一定頻率的強聲脈衝，接收聲散射回波。分析聲散射回波強度，可以判斷大氣的熱力結構（如對流強弱、對流高度、逆溫層等）和湍流情況；比較發射的聲波和聲散射回波頻率的差異，可以計算風向、風速隨時間和高度的變化。由於聲波在大氣中傳播衰減很大，所以聲雷達的探測高度受到限制，一般僅達一千米左右的高度。
聲速和大氣的溫度和風速有關，當大氣的溫度和風速分布不均勻（有脈動）時就會對聲波散射，而且聲波的散射率要比電波或光波的散射率強一百萬倍。所以用聲波來測量溫度和風的脈動很靈敏。
結構及分類
目前研製的聲雷達有兩種：
（2）都卜勒聲雷達是向大氣發射聲脈衝，通過分析不同時間所反射回波信號的強度、都卜勒頻偏來確定大氣各分層風速、風向以及湍流結構的氣象儀器。為了能測湍流大氣中三維風場，需要多個天線組陣探測。其最早由澳大利亞科學家McAllister }}}等在1968年開發，70年代初美國科學家D. W. Reran，C. G. Little理論上證明了利用聲學回波探測技術通過測量回波都卜勒頻偏來計算大氣風速以及逆溫層結構的實際可行性。
都卜勒聲雷達測量三維風速、風向的原理由Beran提出，我們於1980年進行過初步試驗。用聲雷達測量大氣中的風速，首先要合理地設計和選取聲雷達的參數，精確地側量都卜勒頻偏值，其次，要在聲雷達回波信號中正確地識別和提取可靠信號，以減少環境噪聲對聲雷達測風所造成的誤差。此外，聲波在大氣中傳輸時，氣象要素的平均量和湍流特性，對風速側量的精度和可靠性會產生影響，為此，將聲雷達探測的風速與氣象儀器直接側量的風速進行比較是十分必要的。在此基礎上，對聲雷達測風誤差做合理訂正，會進一步提高聲雷達探測的精度和可靠性。
套用
聲雷達具有靈敏度高、生產成本低，能獲得獨特的邊界層湍流的動力和熱力結構等優點，目前已廣泛用於邊界大氣層的探測。機場、航空中心、靶場、核電站等用來測量邊界層的風和湍流變化。將聲雷達測得的大氣參數輸入污染擴散模式，還可用於環境監測和預警。
風電領域的套用
目前主要的低空風測量手段主要有風廓線雷達、雷射測風雷達和聲雷達，風廓線雷達低空探測能力差，成本高，雷射測風雷達探測性能受能見度影響大，壽命短，成本高，在風電領域套用有限。聲雷達能夠探測10米一200米範圍的風速、風向、垂直氣流，探測精度高，解析度小，無需建塔，安全性高，建設、使用、維護方便，成本低，壽命長，環境適應能力強，是一種有效的風電場測風手段。
聲雷達在使用前，需要與測風塔超音波測風儀進行比對，確定聲雷達的性能能夠滿足風電場測風需求。
（1）聲雷達在國內外風電領域的套用
在國外，聲雷達已廣泛套用於風電領域，包括風資源測評、風機選址、風功率預測等，典型的產品主要有法國Remtech公司的PA一XS型聲雷達、芬蘭Vaisa-la公司Triton型聲雷達、瑞典AQSystem公司AQ510型聲雷達、美國ART公司VT一1型聲雷達、德國Scintec公司MFAS型聲雷達和德國Metek公司PCS2000一24型聲雷達，共6型產品。
國外引進的聲雷達價格昂貴，且存在氣象信息泄露的安全隱患，而國內聲雷達研製又相對落後。因此，國內聲雷達在風電領域的套用相對滯後，主要是採用測風塔。中國電科三所在軍用某型聲雷達的基礎上，針對風電場氣象測量的需求，專門研製了WFMS一200型風電場氣象監測聲雷達，它是一款地面遠程感測系統，可測量10一200 m高度的風速風向和地面溫、濕、壓等氣象信息，產品性能達到國外同類產品水平，價格大幅降低，完全自主可控，不存在氣象信息泄露的隱患，具備在風電領域大規模推廣套用的條件。
（2）聲雷達測風原理
聲雷達採用收/發可逆相控陣天線，通過相位控制，向天頂、東、南、西、北5個方向順序發射聲信號，分別採集每個方向的後向散射回波，對回波信號進行多脈衝非相干積累，然後估計回波都卜勒頻率，利用回波都卜勒原理，計算每個方向的徑向風速，最後根據5個波束的幾何關係，計算三維風速。
聲雷達測量的是某一高度區域和某一時間區域的平均風速，是在空間和時間的平均，一般高度區域為10 m，時間區域為10 min。
風電場聲雷達作為一種有效的低空風測量手段，測量精度能夠滿足風電場套用需求，可以用於風資源測評、風機選址、風電場運行中的風功率實時監測等。與測風塔、風廓線雷達、雷射測風雷達等手段相比，建設、使用、維護方便，成本低，壽命長，是一種有效的風電場用測風手段。
（3）聲雷達低空測量技術特點：
靈活的測量範圍：可在 10m~200m區間任設測量高度。
高可靠性：可在極端氣候條件下，包括-40℃至60℃極端環境下運行安裝在世界各地400多套聲雷達， 運行時間已超過350萬小時。
超低功耗： 只需7w的電源支持其運作， 其功耗遠小於其他雷達系統。
捕捉紊流：直接測量不同層高的風速切變、風向切變和紊流強度。
安裝簡單快捷：運達現場即可安裝調試。
實時監控： 可隨時獲取數據和監控數據。
業界認可的校驗：包括IEC等效功率測驗、陸地風場的大量測驗以及測風塔校驗。
（4）注意事項
用聲雷達測量大氣中的風速，首先要合理地設計和選取聲雷達的參數，精確地側量都卜勒頻偏值，其次，要在聲雷達回波信號中正確地識別和提取可靠信號，以減少環境噪聲對聲雷達測風所造成的誤差。此外，聲波在大氣中傳輸時，氣象要素的平均量和湍流特性，對風速側量的精度和可靠性會產生影響，為此，將聲雷達探測的風速與氣象儀器直接側量的風速進行比較是十分必要的。在此基礎上，對聲雷達測風誤差做合理訂正，會進一步提高聲雷達探測的精度和可靠性。
湍流特徵測定
聲雷達可以直接測量溫度脈動譜ΦT（K0）或溫度結構係數
務值。由於大氣中譜的尺度很寬, 在邊界層大氣中, 用聲雷達測得的ΦT（K0）或
是一個隨機量, 具有正偏態分布的特性, 並滿足對數常態分配。
從ΦT（K0）的頻譜分析中得到, 在頻率為10-8一3×10-8秒-1的範圍內, 存在著一個能量的峰值區, 峰值和高頻之間, 能量的過渡帶很陡。過去一般認為中尺度範圍是大氣譜段中能量的低值區。研究發現, 在中尺度範圍內, 無論在穩定或不穩定層結, 經常存在著幾分鐘到十幾分鐘的周期活動, 並對能量產生較大的貢獻。
在大氣邊界層內, 不論是穩定層結或不穩定層結的情況, 都經常存在著幾分鐘到十幾分鐘的周期活動。白天在不穩定層結下的對流活動和夜間穩定層結情況下所出現的逆溫層的波動或重力內波, 都具有十分鐘左右的周期。它們都會對湍譜的中尺度範圍內出現的峰值能量作出貢獻。這種十分鐘左右的周期運動的存在, 使我們對湍流譜的分析和湍流運動的認識, 必須作進一步的考慮。除了數千公里的水平不均勻和由於地面邊界作用造成的垂直方向上的不均勻所構成的大氣湍流能量來源以外, 十分鐘周期的中尺度活動必然是引起大氣湍流運動的重要因子和能量來源。由於大氣運動始終處於高雷諾數狀態, 因此, 這種尺度的不穩定性, 必定要把它的能量向小尺度湍流運動輸送, 這樣就使得小尺度湍流運動的能量來源更為複雜。這是今後湍流研究工作中需要引起注意的問題之一。
由於大氣湍流譜的範圍很寬, 因此, 在氣象觀測中, 如何確定氣象要素和其它物理量的平均值, 這是一個困難的問題。因為不同的平均時間所得到的平均值也是不同的。一般認為, 只要平均時間顯著的超過湍譜中小尺度峰值出現的周期, 就能得到比較穩定的值。出現小尺度峰值的周期, 一般為幾十秒, 所以過去一些學者認為用十分鐘作為取得平均值的平均時間就足夠了。但研究觀測表明, 在大氣邊界層經常存在幾分鐘到十幾分鐘周期的峰值。在這種情況下, 用十分鐘作為平均時間, 可能是不夠的。近年來,陸續有人提出,要獲得穩定的氣象要素的平均值(或湍譜) , 就需要20 到30 分鐘, 這可能與上述的周期活動有關。因此, 在進行氣象觀測時, 平均時間的選擇是需要的。
劃分大氣穩定度
聲雷達是一種新型的邊界層大氣遙感探測設備，目前在大氣湍流，環境污染等方面已得到廣泛套用。1984年Singal等人首先研究利用聲雷達資料劃分大氣穩定度，從而為我們判別大氣穩定度提供了一種新方法。我國開始使用聲雷達技術的時間較短，這方面的工作尚未開展。
1、利用聲雷達資料劃分大氣穩定度作為一種新方法是可行的。聲雷達回波具有連續，直觀的特點，可以簡便的根據聲雷達回波圖像劃分大氣穩定度。
2、利用聲雷達資料劃分的大氣穩定度其平均狀況與雙向風標的a、值所劃分的比較接近。由於聲雷達回波顯示的整個的邊界層內的垂直狀況。因此，用聲雷達資料所劃分的穩定度進行大氣擴散的計算，在許多方面可能會更符合實際情況。
3、當把大氣穩定度簡單的分成穩定，不穩定和中性三類時，聲雷達所劃分出的穩定度與雙向風標的σv和P-T法有較好的一致性。
