CN109613562B

CN109613562B - 测风激光雷达有效探测边界的识别方法及装置

Info

Publication number: CN109613562B
Application number: CN201811525149.6A
Authority: CN
Inventors: 贾静宇; 杨锦睿
Original assignee: Beijing Institute of Radio Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Measurement
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: CN109613562A

Abstract

本发明公开了测风激光雷达有效探测边界的识别方法及装置，涉及测风激光雷达领域。该方法包括：获取测风激光雷达的谱数据；根据谱数据生成径向风速的矩阵；以任一径向风速为中心，计算预设大小范围内的径向风速的方差，用方差替换任一径向风速，直到得到方差的矩阵；根据预设方差门限值对全部方差进行过滤，保留小于预设方差门限值的方差；通过滑动窗口对过滤后方差的矩阵中的空值进行搜索，根据搜索结果确定有效探测边界。本发明提供的识别方法及装置，不依赖于硬件平台，具有很好的可移植性，同时，还具有识别速度快、识别准确率高的优点。

Description

测风激光雷达有效探测边界的识别方法及装置

技术领域

本发明涉及测风激光雷达领域，尤其涉及测风激光雷达有效探测边界的识别方法及装置。

背景技术

基于相干体制的激光雷达广泛应用于大气探测领域，相干测风激光雷达是其中一种探测设备。它广泛应用于气象、航空安全保障、风力发电、环保等领域，具有非常重要的应用价值。相干测风激光雷达以低对流层，特别是边界层内的气溶胶粒子作为示踪物，通过外差相干技术获得径向多普勒频谱，从而反演各类风场信息。

然而，受制于硬件探测威力，随着距离的增加，探测信号的可靠性逐步下降，可靠与不可靠的交叠区域即有效探测边界。提取有效探测边界对于雷达的探测威力评估，数据质量控制，图像处理都很必要。

目前，有效探测边界的识别主要是基于硬件信噪比等参数，采用滤波等技术实现识别，现有方法依赖硬件平台，识别的准确性、可移植性比较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种测风激光雷达有效探测边界的识别方法、一种测风激光雷达有效探测边界的识别装置、一种有效探测边界的识别系统及一种存储介质。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种测风激光雷达有效探测边界的识别方法，包括：

获取测风激光雷达的谱数据；

根据所述谱数据生成径向风速的矩阵；

以任一径向风速为中心，计算预设大小范围内的径向风速的方差，用所述方差替换所述任一径向风速，直到得到方差的矩阵；

根据预设方差门限值对全部所述方差进行过滤，保留小于所述预设方差门限值的方差；

通过滑动窗口对过滤后所述方差的矩阵中的空值进行搜索，根据搜索结果确定有效探测边界。

本发明的有益效果是：本发明提供的识别方法，通过软件实现了对测风激光雷达有效探测边界的识别，不依赖于硬件平台，不依赖于系统计算的信噪比，具有很好的可移植性，可以方便移植到其他硬件平台上。同时，通过设定方差门限值进行方差过滤，然后再通过滑动窗口搜索空值，还具有识别速度快、识别准确率高的优点。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种测风激光雷达有效探测边界的识别装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，实现如上述技术方案所述的识别方法。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种有效探测边界的识别系统，包括：

测风激光雷达，用于对目标区域进行探测，得到谱数据；

如上述技术方案所述的识别装置，用于根据所述谱数据得到所述测风激光雷达的有效探测边界。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述技术方案所述的识别方法。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明识别方法的实施例提供的流程示意图；

图2为本发明识别方法的实施例提供的相干测风激光雷达结构框架示意图；

图3为本发明识别方法的实施例提供空值搜索示意图；

图4为本发明识别装置的实施例提供的结构框架示意图；

图5为本发明识别系统的实施例提供的连接关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

相干测风激光雷达以低对流层，特别是边界层内的气溶胶粒子作为示踪物，通过外差相干技术获得径向多普勒频谱，从而反演各类风场信息。受制于硬件探测威力，随着距离的增加，探测信号的可靠性逐步下降，相干测风激光雷达的探测区域通常分为可靠区域与不可靠区域，可靠区域与不可靠区域的交叠区域，或者可靠区域与不可靠区域之间的过渡区域，就是有效探测边界。

如图1所示，为本发明识别方法的实施例提供的流程示意图，该识别方法用于识别测风激光雷达的有效探测边界，包括：

S1，获取测风激光雷达的谱数据。

应理解，测风激光雷达的谱数据指的是通过外差相干技术获得的径向多普勒频谱等数据，例如，可以包括谱功率等。

如图2所示，提供了一种示例性的相干测风激光雷达结构框架示意图。

相干测风激光雷达包括：伺服分系统11、望远镜分系统12、激光发射分系统13、光路和探测器分系统14、控制和信号处理分系统15、通信分系统16、环境控制分系统17和电源分系统18，其中：

激光发射分系统13用于提供发射激光脉冲和本振光信号；望远镜分系统12作为测风激光雷达的天线，用于准直待发射的激光脉冲，并接收回波光信号；伺服分系统11用于将准直后的发射激光脉冲按照一定的方案指向任意方向，同时将该方向的回波光导入望远镜分系统12；光路和探测器分系统14作为测风激光雷达的频谱信号生成部件，将由望远镜分系统12接收的回波光与激光发射分系统提供的本振光混合，生成相干信号，并由光路和探测器分系统14转化为电信号，得到谱数据。

控制和信号处理分系统15用于控制整个雷达系统的整体工作时序，为激光发射分系统13提供调试信号，进行数据采集、处理、存储和传输等；电源分系统18用于为整个系统提供电源分配；通信分系统16用于雷达系统与外界的通讯联络，将谱数据发送出去；环境控制分系统17用于为雷达系统提供稳定的工作、存储环境。

应理解，相干测风激光雷达还可以包括用于为雷达系统提供结构防护、支撑和固定的机柜，以及用于实现雷达系统控制的软件控制程序等。

S2，根据谱数据生成径向风速的矩阵。

对于测风激光雷达而言，其谱数据中包含有多个径向多个距离门的数据，可以根据谱数据生成全部径向全部距离门的径向风速，得到径向风速的矩阵，例如，可以通过预设公式将谱数据转化成径向风速。

例如，以3径向3距离门为例，得到的径向风速的矩阵可以由以下矩阵表示：

其中，V_1,2表示第1径向的第2距离门的径向风速，以此类推。

S3，以任一径向风速为中心，计算预设大小范围内的径向风速的方差，用方差替换任一径向风速，直到得到方差的矩阵。

需要说明的是，预设大小可以根据实际需求设置。以上一步骤中的矩阵为例，如果以V_2,2为中心，预设大小为3*3，那么就计算V_1,1到V_3,3的全部9个径向风速的方差，替换V_2,2。

应理解，为保证计算的准确度，计算得到的径向风速的矩阵中，没有空值或无效数据。

S4，根据预设方差门限值对全部方差进行过滤，保留小于预设方差门限值的方差。

需要说明的是，预设方差门限值可以根据实际需求设置。

当发现有方差大于或等于预设方差门限值时，剔除该方差，使该处置空。

S5，通过滑动窗口对过滤后方差的矩阵中的空值进行搜索，根据搜索结果确定有效探测边界。

应理解，当方差的矩阵中连续出现空值时，表明该处方差过大，已经被滤除，则可以认定该处为有效探测边界。

应理解，由于有很多径向，每个径向又有很多距离门，因此，可以分别对每个径向进行判断，当某个径向的距离门连续出现空值时，可以认定这些距离门是有效探测边界。

本实施例提供的识别方法，通过软件实现了对测风激光雷达有效探测边界的识别，不依赖于硬件平台，不依赖于系统计算的信噪比，具有很好的可移植性，可以方便移植到其他硬件平台上。同时，通过设定方差门限值进行方差过滤，然后再通过滑动窗口搜索空值，还具有识别速度快、识别准确率高的优点。

可选地，在一些实施例中，根据谱数据生成径向风速的矩阵，具体包括：

对谱数据进行预处理，去除背景噪声和满足预设条件的谱数据；

对预处理后的谱数据在感兴趣带宽内进行归一化处理；

通过零阶矩阵和一阶矩阵将归一化处理后的谱数据转换成径向风速的矩阵。

通过上述转换处理，能够提高径向风速的数据有效性，有利于提高识别结果的准确度。

需要说明的是，预设条件可以根据实际需求设置，例如，可以为该径向中确实数据的距离门过多，或者一些距离门存在干扰导致的频谱异常等。

可选地，在一些实施例中，根据以下公式得到径向风速：

其中，m₀为零阶矩阵，m₁为一阶矩阵，P_k为任一距离门中第k频点的谱功率，v_k为任一距离门中第k频点对应的频率，V_r为径向风速，λ为测风激光雷达的激光波长。

可选地，在一些实施例中，以任一径向风速为中心，计算预设大小范围内的径向风速的方差之前，还包括：

对径向风速的矩阵进行空值填充。

应理解，具体的填充方式可以根据实际需求选择，例如，可以将同一径向，与空值相邻的左右2个径向风速取平均，作为该空值处的径向风速，又例如，还可以将与空值相邻的上下左右4个径向风速取平均，作为该空值处的径向风速。

通过对径向风速的矩阵进行空值填充，能够保证矩阵内都是有效数据，便于后对空值过滤时，只对方差大于预设方差门限的值进行过滤，防止空值对后续计算的影响，保证了后续过滤的空值都是通过方差筛选得到的，防止出现误判断的情况，提高了识别的精度。

可选地，在一些实施例中，对径向风速的矩阵进行空值填充，具体包括：

判断任一径向风速V_i,j是否为空值或无效数据；

如果是，则以径向风速V_i,j为中心，计算与其相邻的四个径向风速V_i-1,j、V_i+1,j、V_i,j-1和V_i,j+1的平均值，将平均值作为径向风速V_i,j；

其中，径向风速V_i-1,j、V_i+1,j、V_i,j-1和V_i,j+1不是空值且不是无效数据，i的取值范围为[1，r]，j的取值范围为[1，d]，r为径向的数量，d为距离门的数量。

需要说明的是，为了提高计算的准确度，当四个径向风速V_i-1,j、V_i+1,j、V_i,j-1和V_i,j+1中存在空值或无效数据时，需要剔除空值或无效数据，计算剩余径向风速的平均值，如果四个径向风速V_i-1,j、V_i+1,j、V_i,j-1和V_i,j+1都是空值或无效数据，那么可以直接将径向风速V_i,j算作空值。

通过上述方式对空值进行填充，能够保证填充的数据具有良好的连续性，更符合实际情况，得到的结果也更加准确。

可选地，在一些实施例中，以任一径向风速为中心，计算预设大小范围内的径向风速的方差，用方差替换任一径向风速，直到得到方差的矩阵，具体包括：

以任一径向风速为中心，使用大小为n*n的滑动窗计算n*n个径向风速的方差，用方差替换任一径向风速，直到得到方差的矩阵。

应理解，为提高计算的准确度，可以计算n*n个径向风速中非空值的方差。

可选地，在一些实施例中，通过滑动窗口对过滤后方差的矩阵中的空值进行搜索，根据搜索结果确定有效探测边界，具体包括：

通过大小为2n*1的滑动窗分别对每个径向的方差进行滑动搜索，如果任一径向的任一距离门连续2n个方差内，超过50％的方差为空值，则认定距离门为有效探测边界。

如图3所示，给出了一种示例性的空值搜索示意图，以一个10*10的方差矩阵为例，其中有部分方差被过滤掉，每一横行代表一个径向，n可以为3，滑动窗口的大小为6*1，图中方框代表滑动窗。以方差σ_2，3为例，其滑动窗口范围内，共有4个空值，空值率为66.7％，超过了50％，那么就可以认为方差σ_2，3的距离门是有效探测边界，通过对全部数据进行判断后，就能得到完整的有效探测边界识别结果。

应理解，方差的矩阵中的空值有些是经过预设方差门限过滤得到的，有些是原来就存在的。上述示例仅作说明用，不代表实际数据。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

如图4所示，为本发明识别装置的实施例提供的结构框架示意图，该识别装置用于测风激光雷达有效探测边界的识别，包括：

存储器21，用于存储计算机程序；

处理器22，用于执行所述计算机程序，实现如上述实施例中任一项所述的识别方法。

如图5所示，为本发明识别系统的实施例提供的连接关系示意图，包括：

测风激光雷达1，用于对目标区域进行探测，得到谱数据；

如上述实施例所述的识别装置2，用于根据所述谱数据得到所述测风激光雷达1的有效探测边界。

在本发明的其他实施例中，还提供一种存储介质，该存储介质中存储有指令，当计算机读取该指令时，使计算机执行上述实施例中任一项所述的识别方法。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种测风激光雷达有效探测边界的识别方法，其特征在于，包括：

获取测风激光雷达的谱数据；

根据所述谱数据生成径向风速的矩阵；

2.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，根据所述谱数据生成径向风速的矩阵，具体包括：

对所述谱数据进行预处理，去除背景噪声和满足预设条件的谱数据；

对预处理后的谱数据在感兴趣带宽内进行归一化处理；

3.根据权利要求2所述的识别方法，其特征在于，根据以下公式得到所述径向风速：

4.根据权利要求1所述的识别方法，其特征在于，以任一径向风速为中心，计算预设大小范围内的径向风速的方差之前，还包括：

对所述径向风速的矩阵进行空值填充。

5.根据权利要求4所述的识别方法，其特征在于，对所述径向风速的矩阵进行空值填充，具体包括：

判断任一径向风速V_i,j是否为空值或无效数据；

如果是，则以所述径向风速V_i,j为中心，计算与其相邻的四个径向风速V_i-1,j、V_i+1,j、V_i,j-1和V_i,j+1的平均值，将所述平均值作为径向风速V_i,j；

6.根据权利要求1至5中任一项所述的识别方法，其特征在于，以任一径向风速为中心，计算预设大小范围内的径向风速的方差，用所述方差替换所述任一径向风速，直到得到方差的矩阵，具体包括：

以任一径向风速为中心，使用大小为n*n的滑动窗计算n*n个径向风速的方差，用所述方差替换所述任一径向风速，直到得到方差的矩阵。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的识别方法，其特征在于，通过滑动窗口对过滤后所述方差的矩阵中的空值进行搜索，根据搜索结果确定有效探测边界，具体包括：

通过大小为2n*1的滑动窗分别对每个径向的方差进行滑动搜索，如果任一径向的任一距离门连续2n个方差内，超过50％的方差为空值，则认定所述距离门为有效探测边界。

8.一种测风激光雷达有效探测边界的识别装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，实现如权利要求1至7中任一项所述的识别方法。

9.一种有效探测边界的识别系统，其特征在于，包括：

测风激光雷达，用于对目标区域进行探测，得到谱数据；

如权利要求8所述的识别装置，用于根据所述谱数据得到所述测风激光雷达的有效探测边界。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1至7中任一项所述的识别方法。