Song, Xiaoquan;Chen, Chao;Liu, Bingyi;Xia, Jinbao;Stanic, Samo
Journal of the Optical Society of Korea
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제17권1호
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pp.103-108
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2013
The operation of a Doppler wind LIDAR in a mobile environment is very sensitive to shocks and vibrations, which can cause critical failures such as misalignment of the optical path and damage to optical components. To be able to stabilize the LIDAR and to perform wind field measurements in motion, a shock absorption and vibration isolation system was designed and implemented. The performance of the vehicle-mounted Doppler wind LIDAR was tested in motion, first in a circular test route with a diameter of about 30 m and later in regular expressway traffic. The vibration isolation efficiency of the system was found to be higher than 82% in the main vibration area and shock dynamic deflection was smaller than maximal deflection of the isolator. The stability of the laser locking frequency in the same mobile environment before and after the vibration isolation system installation was also found to be greatly improved. The reliability of the vibration isolation system was confirmed by good results of the analysis of the LIDAR data, in particular the plane position indicator of the line of sight velocity and the wind profile.
A quality check algorithm for the Weather Information Service Engine pulsed Doppler wind lidar is developed from a view point of spatial and temporal consistencies of observed wind speed. Threshold values for quality check are determined by statistical analysis on the standard deviation of 3-component of wind speed obtained by a wind lidar, and the vertical gradient of horizontal wind speed obtained by a radiosonde system. The algorithm includes carrier-to-noise ratio (CNR) check, data availability check, and vertical gradient of horizontal wind speed check. That is, data sets whose CNR is less than -29 dB, data availability is less than 90%, or vertical gradient of horizontal wind speed is less than $-0.028s^{-1}$ or larger than $0.032s^{-1}$ are classified as 'doubtful', and flagged. The developed quality check algorithm is applied to data obtained at Bucheon station for the period from 1 to 30 September 2015. It is found that the number of 'doubtful' data shows maxima around 2000 m high, but the ratio of 'doubtful' to height-total data increases with increasing height due to atmospheric boundary height, cloud, or rainfall, etc. It is also found that the quality check by data availability is more effective than those by carrier to noise ratio or vertical gradient of horizontal wind speed to remove an erroneous noise data.
The uncertainty in WindCube LIDAR measurements, which are specific to wind profiling at less than 200m above ground levelin wind resource assessments, was analyzed focusing on the error caused by its volume sampling principle. A two-month SODAR measurement campaign conducted in an urban environment was adopted as the reference wind profile assuming that various atmospheric boundary layer shapes had been captured. The measurement error of LIDAR at a height z was defined as the difference in the wind speeds between the SODAR reference data, which was assumed to be a virtually true value, and the numerically averaged wind speed for a sampling volume height interval of $z{\pm}12.5m$. The pattern of uncertainty in the measurement was found to have a maximum in the lower part of the atmospheric boundary layer and decreased with increasing height. It was also found that the relative standard deviations of the wind speed error ratios were 6.98, 2.70 and 1.12% at the heights of 50, 100 and 150m above ground level, respectively.
The mean wind speed and turbulence intensity profiles in the atmospheric boundary layer were extracted from a LIDAR remote sensing campaign in order to apply for CFD validation. After considering the semi-steady state field data requirements to be used for CFD validation, a neutral atmosphere campaign period, in which the main wind direction and the power-law exponent of the wind profile were constantly maintained, was chosen. The campaign site at the Pohang Accelerator Laboratory, surrounded by 40~50m high hills, with an apartment district spread beyond the hills, is to be classified as a semi-complex terrain. Nevertheless, wind speed profiles measured up to 100m above the ground fitted well into a theoretical-experimental logarithmic-law equation. The LIDAR remote-sensing data of the sub-layer of the atmospheric boundary layer has been proven to be superior to the data obtained by conventional extrapolation of the wind profile with 2 or 3 anemometer measurements.
윈드프로파일러와 윈드라이다는 대기경계층에서 시공간 고해상도 바람의 연직분포를 산출한다. 윈드라이다는 DBS(Doppler Beam Swinging)와 VAD(Velocity Azimuth Display) 방법으로 바람 벡터를 산출한다. DBS 방법은 빠른 스캔 시간으로 바람 프로파일을 획득할 수 있다는 장점이 있다. 반면에 연직 빔을 포함한 최소한 두 빔이 필요한 제약이 있어서 자료 수집률 저하의 원인이 된다. 일반적으로 다섯 빔을 사용하는 윈드프로파일러의 자료 수집률을 향상하기 위해 VAD 방식을 개선하였다. 먼저 DBS 방식의 시선속도 자료로 Fourier series를 산출하였다. 방위각 간격을 결정하여 Fourier series로 계산한 시선속도를 VAD 방식에 적용하여 고도별 바람을 산출하였다. DBS 방식으로 바람을 산출하지 못한 고도에서도 바람 벡터를 산출하였고, 두 방식의 결과가 일치하였다.
The nacelle anemometer mounted behind the blade roots of a wind turbine measures distorted wind speed comparable with free-stream wind because of the wake effects caused dependent upon the operation of the wind turbine and the rotation of its blades. The field campaign was carried out to measure free-stream wind speed at a height identical to the height of the nacelle anemometer by deploying a ground-based remote-sensing equipment, LIDAR. It is derived that a third-order polynomial equation for correcting wind speed measured by the nacelle anemometer to undistorted free-stream wind speed incident to a wind turbine. It is anticipated that the derived correction equation enables wind speed measured by the nacelle anemometer to be used as a precise input for a wind turbine performance test and for developing an active control logic.
A mobile Rayleigh Doppler wind LIDAR at an eye-safe wavelength of 355 nm incorporating double-edge technique with triple-channel Fabry-Perot etalon is developed for wind measurement from 5 to 40km. The structure of this LIDAR system is described. An intercomparsion experiment with rawinsonde is made, showing good agreement with expected measurement accuracy. A continuous observation of stratosphere wind field for several days with temporal resolution of 15 min and spatial resolution of 200 m from 5 to 40 km is presented, demonstrating the stability and robustness of the LIDAR. A stratospheric quasi-zero wind layer can be found at around 20 km with a direction change from east to west evident in the continuous observation.
최근들어 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics)은 빌딩에 대하여 다양한 응용분야에서 사용된다. 이번 연구에서는 측정이 어려운 도심지 건물 군을 지나는 바람에 대하여 CFD해석 방법을 이용하여 고층 빌딩 상공을 지나가는 바람장을 예측 하였으며, 예측 된 결과를 실제 측정치와 비교 검증하였다. 바람장 측정 방법은 마스트를 세워서 측정하는 방법, 풍동 실험실에서 축소된 모형에 대한 실험방법, PIV 측정방법, LIDAR, SODAR측정 방법 등 많은 방법이 있다. 이번 연구에서는 가장 정확한 측정 방법인 LIDAR를 사용하여 측정을 수행하였다. 바람장이 측정된 장소는 서울 잠실 롯데 호텔 상공이며, 불어오는 바람은 롯데 월드를 중심으로 주변의 상가 건물들과 아파트 건물들 때문에 불안정하며 고르지 않을 것으로 예상되었다. LIDAR 측정은 일정 기간 동안 이루어 졌다. CFD해석은 임의의 시간대에 대해서 주 풍향에 대해서 해석이 수행되었다. CFD 해석결과는 최종적으로 측정 데이터와 비교 검증이 이루어 졌으며, 두 데이터간의 일치도가 높음을 알 수 있었다.
A Scanning Rayleigh Doppler lidar for wind profiling based on a non-polarized beam splitter cube optically contacted FPI is developed for wind measurement from high troposphere to low stratosphere in 5-35 km. Non-polarized beam splitter cube optically contacted to the FPI are used for a stable optical receiver. Zero Doppler shift correction is used to correct for laser or FPI frequency jitter and drift and the timing sequence is designed. Stability of the receiver for Doppler shift discrimination is validated by measuring the transmissions of FPI in different days and analyzed the response functions. The maximal relative wind deviation due to the stability of the optical receiver is about 4.1% and the standard deviation of wind velocity is 1.6% due to the stability. Wind measurement comparison experiments were carried out in Jiuquan ($39.741^{\circ}N$, $98.495^{\circ}E$), Gansu province of China in 2015, showing good agreement with radiosonde result data. Continuous wind field observation was performed from October 16th to November 12th and semi-continuous wind field of 19 nights are presented.
A Rayleigh Lidar used for wind detection works by transmitting laser pulses to the atmosphere and receiving backscattering signals from molecules. Because of the weak backscattering signals, a lidar usually uses a high sensitivity photomultiplier as detector and photon counting technology for signal collection. The capturing of returned extremely weak backscattering signals requires the lidar to work on dark background with a long time accumulation to get high signal-to-noise ratio (SNR). Because of the strong solar background during the day, the SNR of lidar during daytime is much lower than that during nighttime, the altitude and accuracy of detection are also restricted greatly. Therefore this article describes an ultra-narrow bandwidth filter (UNBF) that has been developed on 354.7 nm wavelength of laser. The UNBF is used for suppressing the strong solar background that degrades the performance of Rayleigh wind lidar during daytime. The optical structure of UNBF consists of an interference filter (IF), a low resolution Fabry-Perot interferometer (FPI) and a high resolution FPI. The parameters of each optical component of the UNBF are presented in this article. The transmission curve of the aligned UNBF is measured with a tunable laser. Contrasting the result of with-UNBF and with-IF shows that the solar background received by a Licel transient recorder decreases by 50~100 times and that the SNR with-UNBF was improved by 3 times in the altitude range (35 km to 40 km) compared to with-IF at 10:26 to 10:38 on August 29, 2018. By the SNR comparison at four different times of one day, the ratio-values are larger than 1 over the altitude range (25~50 km) in general, the results illustrate that the SNR with-UNBF is better than that with-IF for Rayleigh Lidar during daytime and they demonstrate the effective improvements of solar background restriction of UNBF.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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