CN106546766B - 基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法 - Google Patents

Abstract

基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法，包括计算测风激光雷达A、B和目标点C的坐标，从而得到A、B、C三点所在平面的单位法向量p(u,v,w)；根据向量p和欧拉公式计算两部测风激光雷达的姿态变量，包括：翻滚角、方位角、俯仰角；进而得到的三个姿态变量调整两部激光雷达的姿态，顺序为：翻滚角，俯仰角，方位角；同步两部测风激光雷达的系统时间，设置扫描转镜的俯仰角、扫描范围和扫描速度；让两部激光雷达同时工作来进行风速测量。本发明能够在不改变测风激光雷达系统硬件结构的前提下，解决传统扫描方式因数据空间不匹配的问题，操作简单易于实现，真正发挥出两部测风激光雷达测量风速和风向的优势，进而提高测量精度。

Description

基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法。

背景技术

多普勒激光雷达在进行大气风速和风向测量的时候，根据多普勒频移的原理，表征大气中粒子(大气分子或气溶胶)的整体运动，即多普勒频移。多普勒激光雷达测量的是径向风速V_LOS，即在激光方向上投影的分量，在计算实际大气的风速和风向的时候，需要假设大气风场局部均匀或者线性变化来进行反演。若是使用双多普勒激光雷达，则可以不用假设前提来测量同一位置不同方向上的径向风速分量来得到风速和风向。然而，进行两部激光雷达测量时，需要改变发射激光的仰角θ和方位角α来探测扫描区域内的径向风速。其中，基于激光雷达调平的前提下传统的扫描方式有：1.固定仰角θ改变方位角α的扫描测量模式，也叫PPI模式；2.固定方位角α改变仰角θ的测量模式，也叫RHI模式。

目前的传统的基于两部测风激光雷达的测量方法采用PPI的扫描测量模式，即首先将两个激光雷达调平，以固定仰角θ改变方位角α的模式进行扫描测量，该方法尤其在低仰角时不考虑两束激光的高度差。如图1所示，两部激光雷达的扫描面相交的是一条线，大量的数据无法匹配，在对风速和风向计算时，因为空间匹配原因肯定造成一定的测量误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法，以克服已有技术的不足，尤其是消除两部激光雷达扫描数据空间不匹配的问题。

本发明通过改变激光雷达的姿态，让两部激光雷达的基准面调整到一个倾斜平面内，让两部激光雷达进行固定仰角改变方位角的扫描测量模式。使扫描的数据在空间上匹配，真正发挥两部激光雷达测量风速和风向的优势。

本发明的激光雷达姿态调整方法的原理是：根据两部激光雷达的空间位置坐标(x0,y0,z0)(x1,y1,z1)和一个设定的共同探测目标点(x2,y2,z2)计算该平面的单位法向量(u,v,w)。根据该平面的单位法向量计算两部激光雷达的姿态参数：包括方位角、俯仰角和翻滚角。

基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法，其特征在于包括以下步骤：

1.首先将两部激光雷达的基准面各自调平，以其中一部激光雷达的坐标作为原点A(0,0,0)建立三维直角坐标系，其中东方向为x轴正方向，北方向为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向；

2.根据第一部激光雷达的位置A(0,0,0)计算第二部激光雷达的和目标点的相对坐标：B(x1,y1,z1)，C(x2,y2,z2)；

3.计算空间三点A、B、C所在平面的单位法向量p(u,v,w)；

4.根据单位法向量p(u,v,w)和欧拉公式计算两部激光雷达的姿态变量，所述的姿态变量包含方位角、俯仰角、翻滚角三项；

5.利用步骤4计算得到的姿态变量来调整两部激光雷达的姿态，调整顺序分别为：翻滚角，俯仰角，方位角；其中，调整顺序不能改变，否则无法调整到期望值；通过以上调整使得两部激光雷达的基准面都调整到同一个倾斜平面内；

6.同步两部激光雷达的系统时间；

7.设置两部激光雷达的扫描转镜的俯仰角为0°，设置扫描转镜的方位角扫描范围为±90°，并根据实际观测需求任意设置扫描转镜的扫描速度；

8.同时启动两部激光雷达，让两部激光雷达同时工作，以进行风速测量。

上述步骤7，设置扫描转镜的扫描速度中，建议扫描速度为2°/s。

在本发明的研究过程中发现：当两部激光雷达的水平高度相同时，只需要调节激光雷达三个姿态变量(翻滚角、方位角、俯仰角)中的两个变量(方位角、俯仰角)即可，可以在一定条件下简化雷达调节步骤。

上述步骤1中，当将两部激光雷达的基准面调整至同一水平高度时，从而使得第二部激光雷达坐标B(x1,y1,z1)中的分量z1为0；

然后在步骤4计算方位角、俯仰角、翻滚角过程中，所得翻滚角为0；

在步骤5调整两部激光雷达的姿态时，调整顺序分别为：俯仰角，方位角；即不需再调整翻滚角，而直接调整俯仰角，方位角。

本发明与现有技术相比，主要优点在于：

1.本方法通过调节激光雷达的姿态参数，进而实现倾斜平面的扫描测量，不需要改变激光雷达的扫描转镜的硬件结构。

2.本方法能够最大限度提高激光雷达的扫描测量速度，在固定激光雷达扫描转镜仰角的前提下(仰角为0)，只改变扫描转镜方位角即可测量。

3.扫描测量过程以后，通过后期的数据处理即可计算得到倾斜平面内的风速和风向信息，不用考虑传统模式因高度差产生的空间匹配问题而引起的测量误差。

5.本方法原理简单，操作过程易于实现。不需要对原有的硬件系统进行改动，只需要通过改变激光雷达的姿态参数，即可实现扫描数据的空间匹配。

6.本发明真正的发挥出两部测风激光雷达测量风速和风向的优势，进而提高测量精度。

附图说明

图1传统的扫描方法的示意图，黑色曲线表示两个扫描面相交的曲线。

图2是本发明改进后的倾斜平面扫描示意图，黑色线条围成的区域表示两个扫描面的重叠区域。

具体实施方式

基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法，其特征在于包括以下步骤：

1.首先将两部激光雷达的基准面各自调平，以其中一部激光雷达的坐标作为原点A(0,0,0)建立三维直角坐标系，其中东方向为x轴正方向，北方向为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向；

2.根据第一部激光雷达的位置A(0,0,0)计算第二部激光雷达的和目标点的相对坐标：B(x1,y1,z1)，C(x2,y2,z2)；

3.计算空间三点A、B、C所在平面的单位法向量p(u,v,w)；

4.根据单位法向量p(u,v,w)和欧拉公式计算两部激光雷达的姿态变量，所述的姿态变量包含方位角、俯仰角、翻滚角三项；

5.利用步骤4计算得到的姿态变量来调整两部激光雷达的姿态，调整顺序分别为：翻滚角，俯仰角，方位角；其中，调整顺序不能改变，否则无法调整到期望值；通过以上调整使得两部激光雷达的基准面都调整到同一个倾斜平面内；

6.同步两部激光雷达的系统时间；

7.设置两部激光雷达的扫描转镜的俯仰角为0°，设置扫描转镜的方位角扫描范围为±90°，并根据实际观测需求任意设置扫描转镜的扫描速度；

8.同时启动两部激光雷达，让两部激光雷达同时工作，以进行风速测量。如图2所示，两部激光雷达的扫描面相交的一个面，大量的数据能够匹配，在对风速和风向计算时，避免了空间匹配原因引入的测量误差。传统方法的扫描结果如图1所示，而本发明的方法的效果如图2所示。

上述步骤7，设置扫描转镜的扫描速度中，建议扫描速度为2°/s。

上述步骤1中，当将两部激光雷达的基准面调整至同一水平高度时，从而使得第二部激光雷达坐标B(x1,y1,z1)中的分量z1为0；

然后在步骤4计算方位角、俯仰角、翻滚角过程中，所得翻滚角为0；

在步骤5调整两部激光雷达的姿态时，调整顺序分别为：俯仰角，方位角；即不需再调整翻滚角，而直接调整俯仰角，方位角。

Claims (3)

1.基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1. 首先将两部激光雷达的基准面各自调平，以其中一部激光雷达的坐标作为原点A(0, 0, 0)建立三维直角坐标系，其中东方向为x轴正方向，北方向为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向；

步骤2. 根据第一部激光雷达的位置A(0, 0, 0)计算第二部激光雷达的相对坐标： B(x1,y1,z1)和目标点的相对坐标C(x2,y2,z2)；

步骤3. 计算空间三点A、B、C所在平面的单位法向量p (u,v,w)；

步骤4. 根据单位法向量p(u,v,w)和欧拉公式计算两部激光雷达的姿态变量，所述的姿态变量包含方位角、俯仰角、翻滚角三项；

步骤5. 利用步骤4计算得到的姿态变量来调整两部激光雷达的姿态，调整顺序分别为：翻滚角，俯仰角，方位角；其中，调整顺序不能改变，否则无法调整到期望值；通过以上调整使得两部激光雷达的基准面都调整到同一个倾斜平面内；

步骤6. 同步两部激光雷达的系统时间;

步骤7. 设置两部激光雷达的扫描转镜的俯仰角为0º，设置扫描转镜的方位角扫描范围为±90º，并根据实际观测需求任意设置扫描转镜的扫描速度；

步骤8. 同时启动两部激光雷达，让两部激光雷达同时工作，以进行风速测量。

2.如权利要求1所述的基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法，其特征在于上述步骤7，设置扫描转镜的扫描速度中，建议扫描速度为2 º/s。

3.如权利要求1所述的基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法，其特征在于

上述步骤1中，当将两部激光雷达的基准面调整至同一水平高度时，从而使得第二部激光雷达坐标B(x1,y1,z1)中的分量z1为0；

然后在步骤4计算方位角、俯仰角、翻滚角过程中，所得翻滚角为0 º；

在步骤5调整两部激光雷达的姿态时，调整顺序分别为：俯仰角，方位角；即不需再调整翻滚角，而直接调整俯仰角，方位角。