CN103430030B - 用于通过远程测量径向速度确定流体移动的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定目标体积中流体的流动的方法，其包括在沿至少三个测量轴线分布的多个测量点处远程测量该测量点附近的流体的径向速度的远程测量的步骤，该测量轴线穿过目标体积并具有不同的空间定向，并且该方法还用于计算分布为目标体积中的网格的多个计算点处的流体速度，其中流体速度的计算包括利用流体力学特性模型。本发明还涉及一种实施该方法的装置。

Description

用于通过远程测量径向速度确定流体移动的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于通过远程测量流体的径向移动速度来确定流体的移动的方法。本发明还涉及通过实施该方法远程感测流体移动的装置。更具体地，本发明所属的领域涉及但不限于位于大气底层的风的特性的远程感测。

背景技术

对于许多应用，测量大气或风的移动相当重要，尤其是在气象学和用于监控诸如机场和风力发电厂的特征的应用中。

通常有用的是，在很宽的高度范围内或与大体积相对应的区域中测量空气团的位移，而这是利用传统的风速计如转杯风速计无法实现的，并且这样的测量需要能够进行远程测量的远程感测仪器。

这些仪器具体包括雷达、激光雷达和声雷达。雷达和激光雷达系统分别使用超高频和光频范围中的电磁波。声雷达系统使用声波。

具体地，在由A.Dolfi-Bouteyre，M.Valla，B.Augère，J.-P.Cariou，D.Goular，D.Fleury，G.Canat，C.Planchat，T.Gaudo，L.Lombard，O.Petilon，J.Lawson-Daku于2007年7月8日至13日在美国科罗拉多州，Snowmass举行的第14届相干激光雷达会议（CLRCXIV）上发表的“用于尾涡流监控的1.5μm全纤维脉冲激光雷达”中描述了实施激光雷达的示例。

利用这种仪器测量空气团的移动通常以如下的方式执行：

-设备在待测区域中沿发射轴线连续地或以脉冲的形式发射一束或多束波（声学波和/或电磁波）。沿不同发射轴线的发射可以同时或者顺序进行。

-波束在大气中受到散射效应，尤其由于所遇到的不均匀性（大气微粒、颗粒、对于电磁波折射率的变化或对于声波声阻的变化）而受到散射效应。当波束在空气团或移动粒子中散射时，这些波束由于多普勒效应还会发生频移。

-背散射波束通过根据测量轴线定向的一个或多个接收器来检测。这些接收器在沿其测量轴线的方向上检测由大气散射的波。

-因此可以沿检测器的测量轴线计算发生散射的距离，例如通过测量传播时间的方法或通过干涉测量法测量相移的方法。沿测量轴线的空气团或粒子的径向速度还可以通过测量由于多普勒效应的波的频移而获得。所测量的径向速度与散射区域的速度矢量在检测器的测量轴线上的投影相对应。

远程感测仪器、尤其包括适于测量位于大气底层的风的特征的激光雷达系统的远程感测仪器常为单站类型。这表示相同的光学器件或相同的天线（声学的或电磁的）用于发送和接收信号。所探测的体积通常沿锥体分布，该锥体的顶点位于仪器的光学器件或天线的水平上。仪器沿锥体的每束脉冲测量粒子沿与发射轴线重合的测量轴线移动的径向速度。因此获得风的径向速度的测量值，其表示风矢量在射束传播轴线上的投影。

然后基于所获得的径向速度的测量值，计算整个目标体积的风矢量。

在现有的装置中，通常利用纯几何模型来执行这种计算。这些模型具有这样的缺点，即这些模型基于有时相当不现实的假设，尤其是对于整个样品的测量过程中风的空间和时间均匀性。根据该假设，在给定高度上，每个由仪器探测的大气点处的风矢量都是相同的。

已知，例如可以通过求解具有三个未知数的具有至少三个方程的方程组来根据在同一高度处的至少三个方向上测量的至少三个径向速度测量值计算给定高度处的风矢量的分量，其中所述方程组描述风矢量与其沿测量轴线的投影的几何关系，该测量轴线通过径向速度的测量而构成。

一种用于几何计算的方法为人们所知，其在文献中被称为“速度方位显示（VAD）”，该方法也是基于给定高度处风的空间均匀性的假设。如果装置允许在覆盖整个测量锥体的方向上进行测量，则该方法也是适用的。该方法包括用于竖直速度、方向以及水平速度的参数优化，充分利用在测量锥体的一整周（360度）上测量的所有径向速度呈现调和函数形式的事实。该方法特别适用于处理利用激光雷达系统获得的测量值。

已知Werner等人的文件US4,735,503描述了来源于VAD方法的一种方法，根据该方法采集可被限制于成角度的扇形中。然而，该方法基于给定高度处风的空间均匀性的相同假设。

当在基本平坦的地形（具有很小起伏或没有起伏的地形或者海面）上进行测量时，用于利用再建风矢量的几何技术测量风的大气远程感测仪器允许精确测量风的平均速度。例如，利用激光雷达系统，在10分钟内取平均的测量值相对于通过校准的转杯风速计构成的参考值的相对误差低于2%。

另一方面，当在更复杂的地形如起伏的地形、山地、或覆盖有森林的地形等上进行测量时，确定水平和竖直速度的准确性显著降低。对于利用相同的激光雷达系统执行的测量并且相对于校准的转杯风速计，在复杂地点上观察到的在10分钟内计算的平均值的相对误差约为5%至10%。

因此现有的实施几何模型的装置不能十分精确地测量水平和竖直速度，以及复杂地形上的风向。事实上，在这种特定的情况下，在由仪器所探测的大气体积中的给定高度处的风不能再认为是均匀的。现在，在这些情况下、尤其是在发展风力发电厂的背景下，精确测量风的特征是必需的。

当研究与高度有关的风速轮廓线（即，风的速度矢量与直接在仪器之上的高度有关）时也会出现该限制。

本发明的目的是提出适于在复杂环境中测量气团移动的用于确定流体移动的方法。

发明内容

本发明的目的通过利用用于在目标体积中确定流体流动的方法来实现，该方法包括以下步骤：

-在沿至少三个测量轴线分布的多个测量点处，远程测量测量点附近的流体的径向速度，该测量轴线穿过目标体积且具有不同的空间定向；

-计算多个计算点处的流体的速度，多个计算点分布为目标体积中的网格；

其中,计算流体的速度包括使用流体的力学特性模型（mechanicalbehaviormodel）。

有利地，测量流体的径向速度可包括测量之前发射且在流体中散射的波的（由于多普勒效应产生的）频移。

径向速度的测量可利用具有各种配置的仪器来执行，尤其是单站仪器（发送器和接收器在空间上一致）、双站仪器（包括在空间上独立的发送器和接收器）或在一个场所分布的多个仪器的组合。

当然根据本发明的方法适用于任何类型的流体的测量，尤其是液体或气体，在流体中可获得径向速度的测量值，并且流体可以通过力学特性模型来描述。

该方法使得可以通过在多个测量轴线上得到的径向速度的测量值来确定目标体积中流体的移动，该方法比已知的几何方法更精确，尤其是在当体积中流体的行为不满足现有技术的几何模型所必需的空间均匀性的假设的情况下。

例如该假设可描述如下：表示流体局部移动的速度矢量对于目标体积的所有点大体上相同，这些点位于相对于参考物(如传感器)大体上相等的距离处。而该假设实际上经常被证明是相当不切实际的。

使用流体行为模型使得可以描述更复杂的行为。因此可以大大提高流体速度矢量的分量的测量，尤其是在复杂的和/或有干扰的环境中。

有利地，在根据本发明的方法直接提供一定体积中的风的速度矢量的三维表示的意义上讲，根据本发明的方法本质上是三维的。此外，假定沿具有相对于目标体积合理分布的空间定向的测量轴线执行径向速度的测量，流体速度矢量的分量都以相当的准确性来确定，例如水平和竖直分量之间没有特别的区别。

目标体积可由连接计算点的网格确定边界或限定。该网格可包括结构化的（例如具有矩形或曲线截面的笛卡尔网格）或非结构化的网。测量点可包括在目标体积中并包括在网格中。

根据本发明的方法还可包括计算初始条件的步骤，该步骤包括：利用基于假设（目标体积中的流体速度在测量轴线通过的基本上平行定向的层中基本均匀）的几何模型，通过径向速度的测量值来计算位于计算点处的流体速度，计算初始条件包括以下步骤中的至少之一：

-边界条件的计算，包括计算限制位于目标体积边缘的计算点处的流体速度（或速度矢量）的限定条件，以及

-起始条件的计算，包括计算目标体积中计算点处的流体速度。

在目标体积中定义笛卡儿坐标系(X,Y,Z)，其中Z轴被定义为高度，均匀层可例如定向成基本平行于平面(X,Y)。

根据本发明的方法还可包括使用存在于目标体积的边缘中或边缘处材料表面的拓扑结构计算初始条件并且限制流体的延伸的步骤，该步骤包括：

-确定位于流体之外和/或材料表面附近的目标体积的计算点，以及

-归因分析限制所述被限定计算点的速度（或速度矢量）的条件。

该初始条件可考虑到出现并且影响流体流动的表面的起伏。材料表面可以是例如位于目标体积底部处的地形表面，其拓扑结构已经预先确定。为了能够应用该初始条件，目标体积及其网格被限定以使得全部或部分地包括该表面。

根据本发明的方法还可包括通过使用先前计算的初始条件并且通过求解流体的力学特性模型的方程来计算目标体积中的流体速度（或速度矢量）的步骤。

仅初始条件（包括边界条件和起始条件）根据空间均匀性的假设进行计算。初始条件构成计算目标体积中流体速度的起始点：

-边界条件使得可以对目标体积边缘处的流体速度设立约束，从而求解流体力学特性模型的方程以在目标体积中得到确定的解；

-起始条件使得可以初始化以通过迭代法求解流体的力学特性模型的方程，从而使方程朝向确定的解收敛。

在本发明的背景中，可以实施流体力学特性的所有模型。取决于背景，模型的选择可以有利地改变，以优化计算的复杂性。

根据本发明的实施方式，流体力学特性模型可包括这样的假设，即，流体包括不可压缩的牛顿流体并且其流动可近似地由纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokesequation）描述。

纳维-斯托克斯方程（根据其一种通常的表现形式）可包括连续性方程和动量守恒方程。

根据本发明的实施方式，流体力学特性模型可包括流体的流动是静止的假设。

根据其他实施方式，流体力学特性模型可包括这样的假设，即，流体包括理想流体并且其流动可近似地由流体的欧拉方程来描述。

在这种情况下，和不可压缩的牛顿流体相比，热梯度和粘性的效果也可以忽略。

牛顿流体为粘性应力张量是应变张量的线性函数的流体。该模型很好地适用于多种常见流体，具体包括空气和水。定义以下变量，采用以国际单位制表示的单位：

流体的速度矢量（通常为m·s^-1）；

ν：流体的运动粘度（m²·s^-1）；

ρ：流体的密度（kg·m^-3）；

作用在流体上的质量力的合成（N·kg^-1）；

p：流体的压强（Pa）。

因此可以通过包括质量守恒方程和动量守恒方程的方程组来描述流动：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0\\ \frac{\∂\stackrel{\→}{V}}{\∂t}-v{\▿}^2\stackrel{\→}{V}+(\stackrel{\→}{V}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{V}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\stackrel{\→}{\▿}p=\stackrel{\→}{f}\end{array}\right.$ （式1）

其中为微分算符，为速度矢量的散度，为速度矢量的矢量拉普拉斯算符以及为压强的梯度。方程组（式1）对应于非静止的不可压缩流体的纳维-斯托克斯方程。

有时可以认为流动是静止的并且例如当所考虑的流体为空气并且目标体积位于大气的底层时。然后描述流体流动的方程组变为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0\\ -v{\▿}^2\stackrel{\→}{V}+(\stackrel{\→}{V}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{V}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\stackrel{\→}{\▿}p=\stackrel{\→}{0}\end{array}\right.$ （式2）

方程组（式2）对应于用于静止的不可压缩流体的边界层的方程。

在方程2中可选择忽略粘性作用，在这种情况下得到理想流体的欧拉方程的表示式：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0\\ (\stackrel{\→}{V}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{V}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\stackrel{\→}{\▿}p=\stackrel{\→}{0}\end{array}\right.$ （式3）

方程组（式3）对应于用于静止的不可压缩非粘性流体的边界层的方程。

如果流体可以简单地看作不可压缩，还可以使用仅由质量守恒方程描述的方程：

$\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0$ （式4）

方程（式4）描述静止的、无旋的、不可压缩的理想流体的流动。

综上所述,根据这些实施方式，利用流体的速度矢量流体的运动粘度ν，流体的密度ρ，作用在流体上的质量力的合成以及流体的压强，所述流体（被认为是不可压缩的且为静态的）能以下方程组中的任何一个来描述：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0\\ \frac{\∂\stackrel{\→}{V}}{\∂t}-v{\▿}^2\stackrel{\→}{V}+(\stackrel{\→}{V}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{V}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\stackrel{\→}{\▿}p=\stackrel{\→}{f}\end{array}\right.;$ （式5）

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0\\ -v{\▿}^2\stackrel{\→}{V}+(\stackrel{\→}{V}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{V}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\stackrel{\→}{\▿}p=\stackrel{\→}{0}\end{array}\right.;$ （式6）

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0\\ (\stackrel{\→}{V}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{V}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\stackrel{\→}{\▿}p=\stackrel{\→}{0}\end{array}\right.;$ （式7）

$\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0.$ （式8）

流体力学特性模型的这些偏导方程可通过有限差分法在目标体积的计算点处数值地求解，其中导数近似取值以用于通过有限差分法数值求解。

这些方程因此可以利用预先计算和限定的起始条件和边界条件，通过迭代法在目标体积的计算点处数值地求解，例如预测-校正类型或约束极小化（增广拉格朗日式或共轭梯度）。

求解这些力学特性模型的方程可包括利用条件矩阵（conditioningmatrices）。

这些条件矩阵可提高解的收敛性和/或算法的稳定性和/或减少边界效应。

具有流体力学特性模型的这些偏导方程还可以通过其他方法（如有限体积法、有限元法或谱方法）在目标体积的计算点处数值地求解。

根据其他实施方式，流体力学特性模型可包括这样的假设，即，流体包括理想流体（即粘性是可忽略的流体）并且其流动在目标体积中近似是无旋的。

根据质量守恒定律，于是流体速度矢量的散度为零：

$\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0$ （式9）

如果进一步认为流动是无旋的，从而在目标体积中流体速度矢量的旋度为零，因此存在描述流体的速度势P。这被称为流动速度势。P的拉普拉斯算子为零并且速度矢量为P的梯度。

因此，利用流体的速度矢量和速度势P，流体的流动可由以下方程组描述：

$\left\{\begin{array}{c}{\▿}^{2}P=0\\ \stackrel{\→}{V}=-\stackrel{\→}{V}P\end{array}\right.$ （式10）

流体力学特性模型的这些偏导方程可通过对拉普拉斯算子的矩阵进行求逆在目标体积的计算点处数值地求解。

根据本发明的方法还可以包括以下步骤：

-通过求解流体力学特性模型的方程从先前计算的目标体积中的流体速度来计算新的初始条件，

-利用新的初始条件，通过求解流体力学特性模型的方程来计算目标体积中的流体速度。

这些步骤可以迭代地重复，在每次迭代时，利用由在之前迭代中获得的目标体积中的速度来计算初始条件。实际上，在第一次迭代时由径向速度的测量值计算的初始条件由于在该时刻计算所必需的均匀性的假设而出现偏差。在接下来的迭代过程中初始条件被校正。

如上文所述的根据本发明的方法的步骤可以概括成时间序列步骤，其包括：

-沿测量轴线测量径向速度的步骤，以及

-计算目标体积中的速度矢量的步骤。

以这种方法，通过假定“不动的”或静止的环境，可以在测量时获得目标体积中的速度矢量的一种表示，在这种环境中在测量时间上流体运动速度的时间变化是可忽略的。然而，该假设不是很大的限制，因为其简单地在测量的采集时间上规定静止状态，或换句话说在采集时间中环境缓慢地变化。现在，即使在顺序测量的情况下，该采集时间通常也可被限制为几秒。

为了描述目标体积中流体随时间变化的行为，可以利用流体力学特性的动力学模型，即，将变量的时间变化考虑在内的模型。因此能够以与待观察现象的时间常数相符合的速率随着时间变化周期地执行测量和计算的序列。因此，为了计算流体的速度而求解动态模型的方程需要利用在时间上接近的序列期间计算的速度，以近似计算时间导数。

因此，根据本发明的方法还可包括计算目标体积中流体速度和测量径向速度的至少一个上述序列，并且计算目标体积中的流体速度还包括利用流体力学特性的动态模型，以及利用在一个或多个上述序列期间计算的流体速度。

应该注意到，序列的时间周期性由测量来限定。获得多个或所有序列的测量值，接着在测量所经过的整个时间周期计算目标体积中的速度是完全等同的，不会在序列的限定上产生任何变化。

根据本发明的方法能以适于沿测量轴线测量流体的径向速度的各种类型的仪器来实施，尤其通过以下仪器来实施：

-利用声学波和/或电磁波来执行测量的仪器；

-沿使用的多个或所有测量轴线顺序地或同时地执行测量的仪器；

-具有分布式构架、具有一个或多个分离的发射器和一个或多个分离的接收器的仪器。

根据本发明的方法可以有利地实施以测量位于大气底层中的风。该方法可以有利地实施在例如激光雷达、雷达或声雷达类型的装置中。

根据本发明的另一方面，提出了利用上述的方法来确定目标体积中流体的流动的装置，该装置包括：

-用于远程测量的部件，用于在沿至少三个测量轴线分布的多个测量点处远程测量位于测量点附近的流体的径向速度，其中测量轴线穿过目标体积并且具有不同的空间定向；

-用于计算的部件，用于在多个计算点处计算流体的速度，多个计算点分布为目标体积中的网格；

其中，用于计算流体速度的部件设置成用于实施流体的力学特性模型。

有利地，根据本发明的装置还可以包括以下装置中的任何一个：激光雷达、雷达、声雷达。

附图说明

通过阅读本发明的非限定性实施方式和实施例的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得显而易见，在附图中：

-图1示出了雷达的框图；

-图2示出了测量的流体的速度矢量与径向速度之间的关系；

-图3是具有网格和测量轴线的目标体积的整体视图；

-图4示出了沿剖面X-Y的目标体积的网格；

-图5示出了利用根据本发明的方法计算给定高度处风速的结果的示例；

-图6示出了分别利用转杯风速计、使用几何重建方法的激光雷达和实施根据本发明的方法的激光雷达，计算与高度有关的风的轮廓的结果的示例；

-图7示出了分别利用转杯风速计、实施几何重建方法的激光雷达和实施根据本发明的方法的激光雷达在一个位置处获得的随时间变化的风速的测量结果。

具体实施方式

下面将对用于测量位于大气底层中的风的大气激光雷达中的根据本发明的方法的实施方式进行描述。

根据该非限制性的具体实施方式，流体为空气，而空气的流动产生风。

参照图1，本发明实施在具有单站配置的激光雷达1中，例如在A.Dolfi-Bouteyre等人的“用于尾涡流监控的1.5μm全纤维脉冲激光雷达”中所描述的那样。该激光雷达包括：

-光源4，其具有基于MOPFA（MasterOscillatorPowerFibreAmplifier,主振荡功率纤维放大器）类型的架构的脉冲纤维激光器，发射具有约1.5μm的波长的线性极化单色光脉冲；

-具有准直光学器件的可定向准直仪2，其可沿位于测量锥体8中的测量轴线3发射测量光束，该测量锥体8的底角为约30°，并且该可定向准直仪2收集在大气中由散射中心7（如直到大于400m的高度的污染物、颗粒或大气微粒）背散射的光；

-检测模块6，在该模块中背散射的光与来源于光源4的本地振荡器的光束混合，从而进行外差检测；

-循环器5，将由光源4产生的光传输到准直仪2，并且将由准直仪2收集的光传输到检测模块6，该循环器基于极化光学元件如极化光束分离器和波片；以及

-处理单元9，用于处理测量值。

通过测量由光源4发射并在背散射之后由检测模块6检测的光脉冲的往返时间来获得沿测量轴线3的、通过散射中心7使光束发生背散射处的距离。

散射中心7的移动在背散射波的频率中产生多普勒频移，其通过外差检波来测量。

参照图2，背散射波频率中的多普勒频移与径向速度11（即，由速度矢量10表示的散射中心7的移动速度在测量轴线3上的投影）成比例。

通过快速傅里叶变换（FFT），在频谱范围内来计算径向速度11和距离。所获得的距离和径向速度11的分辩率分别为约几米和约几米每秒。沿测量轴线3的测量时间为约一秒。

参照图3和图4，根据本发明的方法的目的是在目标体积中计算风（由其速度矢量10表示）。该目标体积通过设置成立方格网的网格20来确定界限，该网格20具有计算点22、23。轴线Z限定高度的笛卡尔坐标系(X,Y,Z)与网格20相关联。

根据本发明的方法，在网格20的一组计算点22处计算速度矢量10，从而在计算点22处数值地求解流体（在该情况中为空气）的力学特性模型。该计算需要限定初始条件，而该初始条件的限定可通过沿具有不同定向的三个测量轴线3测量的至少三个径向速度11来获得。

根据该实施方式，利用激光雷达1沿例如根据四个基本方向分布的四个测量轴线3来执行测量，并且该四个测量轴线3倾斜靠近仪器1的测量锥体8的边界。还可以沿纵轴进行第五测量。为了实施根据本发明的方法，假定在用于获得这四个或五个测量值所需的时间内大气是固定的或不动的，即在该采集时间期间，在每个点处目标体积中的风的速度矢量10大体上是不变的。然而，这样的假设并不是很强的限制，因为总的采集时间可以远小于十秒。

对于每个测量轴线3，径向速度11的测量值是将测量点21处的测量值进行平均，测量点21对应于通常为等距的预定高度。为了简化计算，对应于网格20的平面（X，Y）选择高度，其中Z不变。

为了计算目标体积中边缘处的边界条件，即在位于网格20边缘的计算点23处计算边界条件，基于位于给定高度的风具有空间均匀性的假设，在整个目标体积中使用传统的几何模型。

使用来在笛卡尔坐标系(X,Y,Z)中表示风的速度矢量10。根据空间均匀性的假设，矢量在高度Z=Z_h处的任一点处认为是不变的，因此其表示为：

${\stackrel{\→}{V}}_h=(V_{\mathrm{xh}},V_{\mathrm{yh},}{V}_{\mathrm{zh}})$ （式11）

如上文所解释的那样，测量是利用激光雷达1沿K个具有不同定向的测量轴线3进行的，这些测量轴线3利用索引k进行标记，k=1…K;K≥3。根据图2的规定，限定索引为k的测量轴线3定向的角度表示为和θ_k。

通过这些测量值，计算沿测量轴线3定位的测量点21处的径向速度。使用W_kh来表示沿测量轴线k定位的、高度为Z=Z_h的测量点处的径向速度，得到：

（式12）

其中k=1…K。

因此我们获得了具有三个未知数(V_xh,V_yh,V_zh)的方程组，该方程组可以在最小二乘法的意义下求解以获得

然后将值赋值给位于Z=Z_h高度处的网格20的所有的边缘点23，并且对所有的高度Z直接地或者通过在Z=Z_h的计算值之间进行插值来执行该操作。

因此限定了位于网格20的边缘处的所有点23的边界条件。

在将基于测量而限定的边界条件考虑在内的情况下，下一步骤包括对计算点22处的流体的被选择力学特性模型的方程求解。这些方程通过适于所选方程的数值方法来求解。

经验表明，在用于大气移动分析的实施方式中，在将空气看作理想流体（即粘性可忽略的流体）的情况下可以获得满意的结果，在目标体积中这种流体的流动是无旋的。这种选择具有产生可更简单地求解的数值模型的优点。这样在资源要求和计算时间方面带来显著的优点。

根据该模型，如上所示，存在描述流体（空气）的速度势P，并且可以通过下面的方程组来描述流动（风）：

$\left\{\begin{array}{c}{\▿}^{2}P=0\\ \stackrel{\→}{V}=-\stackrel{\→}{\▿}P\end{array}\right.$ （式13）

在将边界条件考虑在内的情况下，可以通过在计算点22处对拉普拉斯算子矩阵进行求逆来数值地求解该方程组。

因此，我们获得了目标体积计算点22处的风的速度矢量10。激光雷达1的竖直上方的的值（即沿高度轴线Z并在其附近的值），用于在最好的精确度条件下确定与高度相关的风的轮廓。

图5示出了在给定高度Z_h处计算风速的结果的示例。表面30表示通过边界条件31计算的风的速度矢量10在一个平面(X,Y,Z=Z_h)上的水平分量的振幅。

图6示出了与高度Z（竖直剖面）有关的风速的计算结果的示例。分别利用两个参考转杯风速计（点40）、实施使用均匀性假设的几何重建模型的激光雷达（曲线41）、以及使用基于理想流体模型的根据本发明的方法的激光雷达（曲线42）来进行测量。更接近于转杯风速计（40）的值的结果（42）是利用使用根据本发明的方法的激光雷达而得到的。

图7示出了在起伏地形上执行测量活动期间所获得的16小时风速测量结果。测量在约80米的高度处进行，并且分别利用参考转杯风速计（曲线50）、实施使用均匀性假设的几何重建的模型的激光雷达（曲线51）、使用基于理想流体模型的根据本发明的方法的激光雷达（曲线52）来进行。

使用用于计算风的几何模型的激光雷达与转杯风速计的相对误差约为6%，使用根据本发明的方法和理想流体模型的激光雷达与转杯风速计的相对误差为约2%。

根据其中流体的力学特性模型方程通过迭代法求解的变型，还通过将先前计算的值设置用于限定目标体积中高度Z=Z_h处网格20的点22处的边界条件来限定起始条件，并且对所有高度Z直接地或通过在的计算值之间进行插值来执行该操作。

根据另一变型，为了提高计算的精确度，可以将关于地形拓扑的已有知识用作额外的边界条件。在这种情况下，目标区域被延伸以包括地形的起伏，并且额外的边界条件（如风的速度矢量与地形表面相切）应用至位于地形表面上的网格20的点23。

当然，本发明不局限于所描述的示例，并且在不超出本发明的范围的情况下可以对这些示例做出多种改变。

Claims (18)

1.一种用于确定目标体积中流体的流动的方法，包括以下步骤：

-在沿至少三个测量轴线(3)分布的多个测量点(21)处，远程测量位于所述测量点(21)附近的所述流体的径向速度(11)，所述测量轴线穿过所述目标体积并且具有不同的空间定向；

-计算多个计算点(22、23)处的所述流体的速度(10)，其中所述多个计算点分布作为所述目标体积中的网格(20)；以及

-计算初始条件，其包括：利用基于假设的几何模型，通过径向速度(11)的测量值计算位于计算点(22,23)处的所述流体的速度(10)，所述假设为所述目标体积中所述流体的速度(10)在所述测量轴线(3)穿过的多个层中大体上是均匀的，所述多个层具有大体上平行的定向，所述初始条件的计算包括以下计算中的至少之一：

-边界条件的计算，包括对限制位于所述目标体积边缘的计算点(23)处的所述流体的速度(10)的条件的计算，以及

-起始条件的计算，包括位于所述目标体积中计算点(22)处的所述流体的速度(10)的计算，

其中，计算所述流体的速度(10)包括利用所述流体的力学特性模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量所述流体的径向速度(11)包括：测量先前被发送并且在所述流体中被散射的波的多普勒频移。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括利用材料表面的拓扑结构计算初始条件的步骤，所述材料表面存在于所述目标体积的边缘中或存在于所述目标体积的边缘处，并且限定所述流体的延伸，所述利用材料表面的拓扑结构计算初始条件的步骤包括：

-确定位于所述流体之外和/或位于所述材料表面附近的所述目标体积的计算点(22、23)，以及

-归因分析所限定的计算点(22、23)的速度(10)的限制条件。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括通过利用先前计算的初始条件并且通过求解所述流体的力学特性模型的方程来计算所述目标体积中所述流体的速度(10)的步骤。

5.根据权利要求3所述的方法，还包括通过利用先前计算的初始条件并且通过求解所述流体的力学特性模型的方程来计算所述目标体积中所述流体的速度(10)的步骤。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述流体的力学特性模型包括以下假设中任何一个：

-所述流体包括不可压缩的牛顿流体并且其流动近似由纳维-斯托克斯方程描述，或者

-所述流体包括理想流体并且其流动近似由流体的欧拉方程描述。

7.根据权利要求6所述的方法，其中表示所述流体的速度矢量(10)，ν表示所述流体的运动粘度，ρ表示所述流体的密度，表示作用在所述流体上的质量力的合力以及p表示所述流体的压强，为微分算符，为速度矢量的散度，为速度矢量的矢量拉普拉斯算符以及为压强p的梯度，所述流体的流动由以下方程组中任何一个描述：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0\\ \frac{\∂\stackrel{\→}{V}}{\∂t}-v{\▿}^2\stackrel{\→}{V}+(\stackrel{\→}{V}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{V}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\stackrel{\→}{\▿}p=\stackrel{\→}{f}\end{array}\right.;$

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0\\ -v{\▿}^2\stackrel{\→}{V}+(\stackrel{\→}{V}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{V}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\stackrel{\→}{\▿}p=\stackrel{\→}{0}\end{array}\right.;$

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0\\ (\stackrel{\→}{V}\·\stackrel{\→}{\▿})\stackrel{\→}{V}+\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\stackrel{\→}{\▿}p=\stackrel{\→}{0}\end{array}\right.;$

$\stackrel{\→}{\▿}\·\stackrel{\→}{V}=0.$

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述流体的力学特性模型的方程在所述目标体积的计算点处通过迭代法数值地求解。

9.根据权利要求8所述的方法，其中求解所述力学特性模型的方程包括利用条件矩阵。

10.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述流体的所述力学特性模型包括一种假设，假设所述流体包括理想流体，并且所述流体的流动在所述目标体积中是近似无旋的。

11.根据权利要求10所述的方法，其中表示所述流体的速度矢量(10)，P表示速度势，为速度势P的拉普拉斯算符以及为速度势P的梯度，所述流体的流动由以下方程描述：

$\left\{\begin{array}{c}{\▿}^{2}P=0\\ \stackrel{\→}{V}=-\stackrel{\→}{\▿}P\end{array}\right..$

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述流体的所述力学特性模型的方程通过在所述目标体积的计算点处对拉普拉斯算子的矩阵进行求逆来数值地求解。

13.根据权利要求4或5所述的方法，还包括以下步骤：

通过求解所述流体的所述力学特性模型的方程从先前在所述目标体积中计算的所述流体的速度(10)来计算新的初始条件，

利用所述新的初始条件，通过求解所述流体的所述力学特性模型的方程来计算所述目标体积中的所述流体的速度(10)。

14.根据权利要求1所述的方法，还包括计算所述目标体积中所述流体的速度(10)和测量径向速度(11)的至少一个初步序列，并且计算所述目标体积中的所述流体的速度(10)还包括利用流体力学特性的动态模型，以及利用在一个或多个所述初步序列期间计算的所述流体速度(10)。

15.根据权利要求1所述的方法，所述方法被实施以用于测量位于大气底层中的风。

16.一种通过实施根据上述权利要求中任一项所述的方法来确定目标体积中流体的流动的装置，包括：

-用于远程测量的部件(1)，在沿至少三个测量轴线(3)分布的多个测量点(21)处远程测量位于所述测量点(21)附近的所述流体的径向速度(11)，所述测量轴线(3)穿过所述目标体积并且具有不同的空间定向，

-用于计算的部件(9)，用于计算多个计算点(22，23)处的所述流体的速度(10)，所述多个计算点分布作为所述目标体积中的网格(20)；

其中，所述用于计算所述流体的速度(10)的部件(9)被设置成用于实施所述流体的力学特性模型。

17.根据权利要求16所述的装置，还包括雷达。

18.根据权利要求16所述的装置，还包括激光雷达或声雷达。