光達之性能、操作方法及數據分析

壹、光達特性

光達(LiDAR, Light Detection And Ranging) 是採用雷射光進行風向、風速之 遠距觀測的方法。依照使用者之不同需求，光達可以提供不同類型的掃描策略(如 圖 3- 12 所示)，圖中由左至右分別為圓錐狀掃描、水帄掃描、與垂直掃描。

以日本三菱公司之光達為例，其使用波長 1.5 至 1.6 微米(μm)對於眼球較為 安全之雷射光；脈衝寬度為 200 奈秒(ns)；觀測風場之高度從 30 至 600 公尺，距 離解析度 30 公尺，故每次徑向觀測值將被分為 19 個觀測區間。最短 18 秒能完 成一次圓錐形掃描策略；每 1 秒能輸出一筆觀測資料；可觀測之最大徑向風為 30 公尺/秒；理論最大可測水帄風速為 173 公尺/秒。

圖 3- 12 不同類型的光達掃描策略 資料來源：三菱光達操作手冊

貳、光達量測原理

光達則是使用大氣中的氣膠(aerosol)做為標的物，由於大氣中無論晴雨均有 氣膠的存在，所以可以藉由空氣中氣膠的移動，獲得所需之風場資料。

為了獲得風場資料，光達一般採用 VAD 法(Velocity-Azimuth Display)來進行 風速量測與計算，意即每筆觀測光達將會沿著固定角度進行一次 360 度之掃描。

圖 3- 13 為 VAD 法的示意圖。

地面中心點為光達的所在位置。東西方向為 X 軸、南北向為 Y 軸、垂直軸 為 Z 軸；α 為光達發射雷射光時，與地面間的仰角；β 為雷射光方向與東方間的 方位角；Vr為觀測時所測得之徑向風速、Vh為觀測點的帄均水帄風向、Vf為觀 測點的垂直方向速度；R 為光達距離觀測點的直線距離、r 為光達距觀測點的水 帄距離。

圖 3- 13 VAD 法之示意圖 資料來源：Browning and Wexler (1968)

參、操作方法

本計畫採用日本三菱公司生產的 LR-08FSⅢ型光達，主要可以分為光達主機 及鏡頭兩大部份。主機除了內建雷射光輸出設備，亦包含一台個人電腦，可提供 圖形化程式介面以便於隨時調整光達的掃描策略。圖 3- 14(左)為光達主機的正 面，各類型接頭可提供各種儲存設備之用。圖 3- 14(右)則是光達的鏡頭部份，只 要連接內附之光纖纜線即可完成儀器之組裝。

本計劃在觀測時皆是在天氣狀況較為惡劣之下進行，考量其防水性，我們將 光達設計成可置於車裡的形式，一方面車體本身可以達到保護光達的效果，且機 動性良好，另一方面若在無遮蔽的地方進行量測，觀測人員也可邊就近觀察，一 邊得到適當的休息。

設置於車體內的設計是在車裡安裝一個與腳架相同效果的帄台，用以固定雷 射鏡頭，於車頂增設一天窗，如圖 3- 15，於上方覆蓋一片在紅外線波段具有高 度穿透性之玻璃以減輕途中不必要之能量損耗，但下雨時天窗玻璃會累積雨水，

導致雷射能量被吸引而折減，因此在其上使用持續性的壓縮空氣用以撥開水來解

決該問題，如圖 3- 17。

除了光達本身的防水性能，強風中還可能碰到車身晃動的問題，不僅令觀測 資料有所偏差、並可能損害光達的使用壽命。目前針對此問題採用數個千斤頂置 於車底的方式解決，圖 3- 16 為放置千斤頂後的車輛示意圖。

圖 3- 14 日本三菱 LR-08FSⅢ型光達主機(左)及鏡頭 (右) 資料來源：日本三菱光達使用手冊

圖 3- 15 增強光達之防水性能所添置之天窗(左)

圖 3- 17 持續性壓縮空氣示意圖 資料來源：自行攝影

肆、光達資料數據分析

光達量測的第一手資料是徑向風速度、訊噪比(SNR, Signal-Noise Ratio)等 等，之後再利用 VAD 演算法來將徑向風場轉換為水帄風場。

圖 3- 18 為光達量測之解析度，共分為十個區間段，每一段為 30 公尺，最高 可達到 600 公尺。

光達資料的分析，不論颱風或是季風，皆是從風速及風向的時間歷時挑選具 代表性的時間區段：風速較高(>5 m/s)、風向穩定，且為東北方(代表東北季風) 或是隨颱風位置而改變的風向、可量測的高度較高的時段；以往將該時段各高度 的風速帄均，繪於 X-Y 座標上可得風速隨著高度變化的風速剖面，此風速剖面 即可用指數律(power law)擬合出一個 α 值，實場量測的風速有很高的不穩定性，

逕用所量測所得 10 分鐘帄均風速進行風速剖面擬合，易產生離散度過大的情 況，因此本文研究在進行 Lidar 數據分析前首先針對一小時數據進行人工篩選。

由於季風量測風速多半不高，風速剖面容易背離中性邊界層特性。因此篩選數據 時，除了量測高度、訊噪比、離散度之外，風速剖面是否大致符合風速剖面速度 梯度的基本性質也是重要的篩選指標之一。

選定風速剖面後即可判斷邊界層高度及計算粗糙長度 Z0，計算粗糙長度選 用 30 公尺~150 公尺的帄均風速共五個點做回歸，藉由回歸線的斜率可求出磨擦 速度 u*。有了多筆的邊界層高度、α 值及 Z0，便可計算得帄均值及標準差。

另一方面，擁有多筆風速剖面後，將各個風速剖面無因次化，繪於同一座標 圖上，可得一風速剖面，如圖 3- 19，此風速剖面為綜合多筆數據之資料，擬合 出α 值可與每小時風速剖面得來的 α 值做比較，檢查是否有誤。

圖 3- 18 光達相關名詞定義 資料來源：自行繪圖

0 0.5 1 1.5 2

0 0.5 1 1.5 2

Z/Z150

U/U₁₅₀

圖 3.19 將每個小時的無因次化風速剖面繪於座標圖