激光测速雷达的性能对比分析

韩 超, 李欣伟, 王凯鑫，张 旭，刘义东

(1.航空工业太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006；2.北京理工大学 光电学院，北京 10081；3.电子科技大学 物理学院，四川 成都 611731)

传统大气数据系统都采用基于测压原理的空速测量方式[1]。在直升机正常飞行时，其测得的空速精度能够满足飞行控制的需要。但是在直升机低速飞行、空中悬停和贴地飞行时，压力感受的不敏感性、旋翼下洗气流的干扰、地效影响等诸多因素，导致小空速测量存在不准确、跳动、延时等诸多问题，为飞行控制和武器发射带来了诸多困扰，降低了飞行品质，影响了武器发射精度，降低了武器命中率[2-3]。

在激光技术迅速发展的推动下，国外有公司提出了一种利用激光技术测量直升机大气参数的方法：激光遇到大气中的气溶胶粒子后发生米氏散射效应，利用接收到的后向散射激光信号产生的多普勒频移解算得到真空速、攻角、侧滑角[4-9]。美国OADS公司开发了光学大气数据系统，采用对人眼安全的不可见激光测量真空速、攻角和侧滑角，采用紫外激光测量大气温度、密度和气压，完成了超过1000飞行小时的飞行试验，证明了该系统可以消除因气动传输而产生的信号迟滞。其真空速测量精度优于1.853 km/h，攻角和侧滑角测量精度优于0.25°。OADS公司宣称其光学大气数据系统已经可以代替传统的空速管和风标式攻角和侧滑角传感器[10-11]。国内开展激光测量飞机大气数据的研究较晚，航空工业太原航空仪表有限公司2017年开始研制基于激光多普勒效应的激光测速雷达，未来将应用于直升机空速的测量和飞行器的试飞校准。

激光测速雷达理论精度远高于传统大气数据系统，目前国内对其测量精度的对比和验证较为缺乏。传统大气数据系统通常采用风洞对系统进行对比/标定，由于激光测速雷达属于遥感式测量方式，常规风洞内部结构物会形成强反射信号导致激光雷达失效。建立了激光测速雷达的高空流场对比验证环境，将高精度超声波风速风向仪作为基准。通过对不同时间尺度下测量精度的比较，为激光测速雷达应用奠定基础。

1 试验场所和仪器

为了摆脱近地面乱流的干扰，试验地点选择气象塔，测试位置选择200 m高度层。在同一高度上，安装有进口高精度超声波风速风向仪，主要采用超声数据进行分析和对比。超声波风速风向仪性能指标参数如表1所示。

表1 超声波风速风向仪性能参数

2 试验结果分析

2020年11月20日—30日完成风速测量实验，采集了三通道频谱信号，然后采用参数拟合得到三轴风速υ1、υ2和υ3，并由此计算了真空速υ0、攻角α和侧滑角β。进口高精度超声波风速风向仪数据格式如表2所示。其中风速值单位为m/s，其数据采集频率为每秒10个数据组。因为激光测速雷达的安装轴向和超声波风速风向仪存在误差，因此不进行具体3个轴向上速度的对比，直接对比二者测量的真空速υ0。

表2 进口超声波风速风向仪数据格式

为了验证方法的有效性，每10 min对数据做平均，将真空速υ0、侧滑角β数据与参考文献进行对比。

2.1 10 min的真空速ν0(风速)和侧滑角β(风向)的对比

计算11天内激光测速雷达数据并以10 min为间隔计算平均值，同时对气象塔的数据也做同样处理。这里风速平均采用的是简单的算术平均法，风向平均采用的是矢量平均法。某时间段内激光测速雷达和气象塔超声波风速风向仪风速和风向的对比如图1所示。

图1 激光测速雷达和气象塔超声波风速风向仪风速和风向的对比

由图1(a)可以看出，激光测速雷达测得的风速平均值和气象塔超声测得的风速平均值吻合得很好，线性系数接近于1，截距也比较小，且数据点都比较集中于拟合直线附近。由图1(b)可以看出，激光测速雷达风向平均值和气象塔超声风向平均值的线性关系良好，但是截距较大，这源自激光测速雷达系统安装时和超声波风速风向仪存在一定的安装误差。

图2给出某时间段内的风速和风向的对比情况。由图2可见，风速基本一致，吻合得很好，但是风向之间有一个几乎恒定的夹角。

图3给出该时间段内以10 min为尺度激光测速雷达测得风速和风向与超声测得风速和风向的差值的分析情况。图3(a)中速度差值反映以气象塔超声风速为参考的激光测速雷达测量值的偏差，这个差近似成正态分布，且均值接近于0，标准差为0.286 m/s，这说明激光测速雷达测的风速值可以用来作为实际风速值。图3(b)中的角度差值反映激光测速雷达测得的角度值在一个均值-31.925°，标准差为1.836°，这说明激光测速雷达测得的风速可以作为实际风速值。以上内容反映了激光测速雷达的安装有一个角度差，这在后期的实验中可以减小和消除。

图3 以10 min为尺度风速差和风向差分析

图4给出笔者工作与参考文献[12]的对比,图4(a)和图4(c)是笔者工作的10 min平均风速和风向对比。图4(b)和图4(d)是参考文献的10 min平均风速和风向对比。可以看出，笔者工作中的10 min平均风速对比关系和风向对比关系相对于参考文献来看线性关系优良程度相似，点的分散程度相似。这说明本工作采用的方法在10 min平均的风速和风向对比上是可行的。10 min尺度下的对比，大范围消除了风速的抖动，风速和风向的结果有更高的数据精度。

图4 笔者作与参考文献[12]的对比

2.2 1 min的真空速ν0(风速)和侧骨角β(风向)的对比

笔者在1 min尺度上对风速和风向进行分析。图5给出了1 min平均的风速和风向的对比分析。图5(a)表明，在1 min时间尺度下，激光测速雷达测得的风速与气象塔超声测得的风速依然可以保持很好的线性关系，斜率为0.945，接近于1，截距为0.378 m/s，比之前的0.268 m/s有所增大。激光测速雷达测得的风速和气象塔超声测得的风向也保持较好的线性关系，-20.0416°的截距表明系统存在安装误差。

图5 以1 min为尺度平均风速和风向对比

图6给出两个时间段内风速和风向随时间的分布情况。图6(a)和(b)数据采集于2020年11月27日15:16:09到20:09:09，图6(c)和(d)数据采集于2020年11月29日12:41:52到23:59:52。由图6(a)和图6(c)风速的时序图可以看出，由两种手段测得的风速变化曲线变化趋势基本一致，在相同的位置都出现了相应的波峰或波谷，较好地刻画了风速的时间变化特征，两者之间也存在一定的差异。由图6(b)和图6(d)风向的时序图可以看出，两种设备探测得到的风向结果比较吻合，数据变化特征基本一致。从图6(b)和图6(d)可以看出，两段时间内两种测量手段的平均偏差约为30°左右(存在一定的安装角度误差)。

图6 两个时间段内以60 s为尺度风速和风向随时间的分布情况

图7给出风速差和风向差的分析情况。对比图7(a)和图3(a)可知，风速差的均值从0.06 m/s增加到0.09 m/s，标准差从0.286 m/s增加到0.554 m/s。对比图7(b)和图3(b)可知，平风向差的均值从-31.925°变为-30.747°，标准差从1.836°增加到6.418°。这两组对比表明，时间尺度从600 s减小到60 s，风速和风向的结果抖动变大。这是因为取时间越短，激光雷达和超声波风速风向仪测量的结果误差都相应增大，从而使得二者的对比结果也产生更大误差。

图7 以60 s为尺度风速差和风向差分析

对比600 s尺度下和60 s尺度的结果来看，测量误差影响增大，风速和风向结果的线性度都有所下降。

2.3 1 s的真空速ν0(风速)和侧滑角β(风向)对比

笔者还采用更短的时间尺度1 s进行对比。图8(a)给出激光测速雷达和气象塔超声测得的风速的关系，很明显可以看出两个风速的线性系数变小、截距变大，数据点更加离散。图8(b)给出激光测速雷达和气象塔超声测得的风向的关系，数据点也更加离散，这也说明相应激光和超声的测量误差进一步扩大。

图8 以1 s为尺度激光测速雷达和气象塔超声测得的风速和风向的对比

为了进一步说明激光测速雷达和气象塔超声测得的风速和风向关系变差，图9给出了风速差和风向差的分析图。由图9可以看出，风速差和风向差的均方差都有所增加，这说明在更小的时间尺度上，激光和超声的测量结果抖动增大，从而使数据对比结果也产生更大误差。风速差和风向差的均值都没有明显的变化，说明存在系统性的偏差，将来可以对其进行优化和消除。

图9 以1 s为尺度风速差和风向差的分析

2.4 0.1 s的真空速ν0(风速)和侧滑角β(风向)的对比

笔者采用更短的时间间隔0.1 s(10 Hz)，对激光测速雷达和气象塔超声波风速风向仪的测量数据进行对比分析。

图10给出选取某段时间以0.1 s为尺度激光测速雷达和气象塔超声测得的风速和风向的对比。与前文10 min、1 min、1 s尺度上的结果相比，以0.1 s为尺度激光测速雷达和气象塔超声测得的风速和风向的数据点更加分散，拟合曲线的系数更小，相关系数R2也更小。这说明更短的时间尺度上，激光测速雷达和气象塔超声波风速风向测量结果抖动更大，导致数据分析的误差也增大。

图10 以0.1 s为尺度激光测速雷达和气象塔超声测得的风速和风向的对比

图11给出这段0.1 s时间内风速差和风向差的关系。将之与图9相比可见，风速差的均值几乎没变，标准差更大了，这和图11(a)中点比图9(a)中更分散相一致。图11(b)中的风向差的均值和标准差与图9(b)相比几乎都没有变化，风向差均值不变是因为安装角度的固有误差，风向差的标准差变化不大说明随机性影响几乎不再增加。

图11 以0.1 s为尺度风速差和风向差的分析

2.5 时间尺度对风速和风向的影响

通过分析可以看出，时间尺度从600 s减小到60 s，再到1 s，最后到0.1 s，随着积分区间减小，随机扰动的影响增加，对风速和风向测量的影响逐渐增大，导致风速的一致性和风向的一致性越来越差。图12反映出了这些参数的变化，图12(a)和(c)分别反映了时间尺度对风速差和风向差的影响，图12(b)和(d)分别反映了时间尺度对风速线性关系和风向线性关系的影响。

图12 风速和风向参数随累积时间变化情况

由此可以看出，时间尺度越小，数据的线性关系越差，风速和风向的标准差越大。这就意味着气象塔超声波风速风向仪和激光测速雷达测量结果的抖动变大，测量误差增大，进一步导致对比的误差也增大。

不同时间尺度下风速、风向均值和差值如表3所示。

表3 不同时间尺度下风速、风向均值和差值

3 其他对比

另准备1台和气象塔上相同型号的三维超声波风速风向仪来采集数据和进行对比，结果如图13和图14所示。结合激光测速雷达和气象塔超声的对比结果图8和图9来看，同样时间段两个超声波风速风向仪的速度和风向一致性、误差较激光测速雷达和超声波风速风向仪的对比的结果大。而这两只超声波风速风向仪都是进口的货架产品，风速、风向测量精度高，又安装在同样的高度层、相近的位置。这可以说明激光测速雷达的测量性能优于同样情况下超声波风速风向仪的测量性能。

图13 自带超声波风速风向仪与气象塔超声波风速风向仪测得风速和风向的线性关系

图14 自带超声波风速风向仪与气象塔超声波风速风向仪测得风速差和风向差分析

某段时间内，激光测速雷达和风塔超声波风速风向仪、自带超声波风速风向仪和风塔超声波风速风向仪风速/风向差值如表4所示。由表4可以看出，激光测速雷达和风塔超声波风速风向仪的测量结果优于同样尺度下自带超声波风速风向仪和风塔超声波风速风向仪的对比结果。可以认为激光测速雷达的测量精度和超声波风速风向仪(速度精度0.18 m/s、风向2°)级别相同。

表4 激光测速雷达和风塔超声波风速风向仪、自带超声波风速风向仪和风塔超声波风速风向仪风速/风向差值表

4 结束语

本研究建立了激光测速雷达测速性能试验的环境，以风塔上固定安装的高精度超声波风速风向仪作为对比基准，开展激光测速雷达的测速性能试验。通过对不同时间尺度下数据进行分析，表明激光测速雷达的测量精度和超声波风速风向仪(速度精度0.18 m/s、风向2°)是同一级别的，在气象测风和机载测速等领域具有广泛的应用前景。