CN111208534A - 一种激光雷达与风廓线雷达联合探测识别风切变的方法 - Google Patents

一种激光雷达与风廓线雷达联合探测识别风切变的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及气象探测及激光雷达应用领域，具体是涉及一种激光雷达与风廓线雷达联合探测识别风切变的方法。通过风廓线雷达获取风廓线雷达上空的风场数据，通过激光雷达获取激光雷达上空的风场数据。通过激光雷达上空的风场数据和风廓线雷达上空的风场数据，获取机场跑道上空的风切变数据，所述风切变数据包括风切变的值、发生风切变的时间、风切变的高度位置。若风切变的值大于标准值，则机场的报警系统提示告警信息，否则不提示告警信息，告警信息包括发生风切变的值大于标准值的高度位置和时间。

Description

一种激光雷达与风廓线雷达联合探测识别风切变的方法
技术领域
本发明涉及气象探测及激光雷达应用领域，具体是涉及一种激光雷达与风廓线雷达联合探测识别风切变的方法。
背景技术
风切变是一种大气现象，风向、风速在空中水平和(或)垂直距离上的变化。风切变按风向可分为水平风的水平切变、水平风的垂直切变、垂直风的切变，水平风的水平切变是风向和(或)风速在水平距离上的变化，水平风的垂直切变是风向和(或)风速在垂直距离上的变化，垂直风的切变是垂直风(即升降气流)在水平或航迹方向上的变化，下冲气流是垂直风的切变的一种形式，呈现为一股强烈的下降气流，范围小而强度很大的下冲气流称为微下冲气流。据世界气象组织和国际民航组织统计，风切变是对飞机起降阶段飞行安全威胁最大的天气现象，许多重大空难事故是由风切变引起。
目前国内现有的探测风切变是通过单个雷达进行单站探测，难以覆盖整个机场跑道的上空，获取的数据有限，导致探测的准确性低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光雷达与风廓线雷达联合探测识别风切变的方法，能够扩大探测的覆盖范围，提高探测的准确性。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种激光雷达与风廓线雷达联合探测识别风切变的方法，包括如下步骤：
S1，通过风廓线雷达获取风廓线雷达上空的风场数据，通过激光雷达获取激光雷达上空的风场数据，风场数据包括风速、该风速所在的高度位置、发生该风速的时间；
S2，通过激光雷达上空的风场数据和风廓线雷达上空的风场数据，获取机场跑道上空的风切变数据，所述风切变数据包括风切变的值、发生风切变的时间、风切变的高度位置；其中，风切变的值为在同一高度上的风廓线雷达获取的风速与激光雷达获取的风速的两者之差的绝对值；
S3，若风切变的值大于标准值，则机场的报警系统提示告警信息，告警信息包括发生风切变的值大于标准值的高度位置和时间。
进一步，风切变的值为Fi：
Fi＝|Vi*cos(Di+θ)-vi*cos(di+θ)|
其中，Fi为高度i位置处的风切变的值，Vi为风廓线雷达上空高度i位置处的风速大小，Di为风廓线雷达上空高度i位置处的风向，vi为激光雷达上空高度i位置处的风速，di为激光雷达上空高度i位置处的风向，风向即风的方向与水平面之间的夹角，θ为常数。
进一步，
Figure BDA0002374975740000021
Figure BDA0002374975740000022
其中，v1i、v2i、v3i、v4i分别是激光雷达的第一个波束、第二个波束、第三个波束、第四个波束在高度i位置处获取的风的分速度，v1i、v2i、v3i、v4i与水平方向的夹角均为α，offset为设定的校准角度。
进一步优选的，第一个波束和第三个波束关于竖直方向对称设置，第二个波束和第四个波束关于竖直方向对称设置。
进一步优选的，第一个波束、第二个波束、第三个波束、第四个波束均匀分布在激光雷达扫描形成的圆周上。
进一步优选的，在同一高度i位置处，激光雷达获取其上空高度i处风速vi的时间为t激光，风廓线雷达获取其上空高度i处风速Vi的时间为t风廓，若t激光与t风廓之差的绝对值小于设定的阈值，则保存风速vi，否则删除该风速vi并采用相邻时间和/或相邻位置的风速填充，填充之后的风速作为激光雷达上空高度i处的风速v′i。
进一步优选的，
Figure BDA0002374975740000023
其中，其中，hi-1为i-1位置处的高度，hi为i位置处的高度，hi+1为i+1位置处的高度，hi+1大于hi，hi大于hi-1，xi+1为hi+1高度的风速vi+1在直角坐标系中的横坐标，yi+1为hi+1高度的风速vi+1在直角坐标系中的纵坐标，xi-1为hi-1高度的风速vi-1在直角坐标系中的横坐标，yi-1为hi-1高度的风速vi-1在直角坐标系中的纵坐标；其中，在高度hi+1处，第一个波束获取的风的分速度为v1(i+1)，第二个波束获取的风的分速度v2(i+1)，第三个波束获取的风的分速度v3(i+1)，第四个波束获取的风的分速度v4(i+1)，风速vi+1为v1(i+1)、v2(i+1)、v3(i+1)和v4(i+1)的合速度；在高度hi-1处，第一个波束获取的风的分速度为v1(i-1)，第二个波束获取的风的分速度v2(i-1)，第三个波束获取的风的分速度v3(i-1)，第四个波束获取的风的分速度v4(i-1)，风速vi-1为v1(i-1)、v2(i-1)、v3(i-1)和v4(i-1)的合速度。
进一步，所述激光雷达和风廓线雷达分别位于飞机跑道长度方向的两端。
进一步优选的，所述相邻时间为5s
本发明的有益效果如下：
(1)本发明利用了激光雷达垂直廓线模式探测提供的数据与原有的风廓线雷达数据，进行数据分析计算，判断风切变是否发生以及进行风场数据和告警界面显示。
激光雷达和风廓线雷达同时进行探测，一方面能够增大探测范围，覆盖飞机跑道的上空，获取更多的探测数据，以便提高获取的风切变的准确度。另一方面激光雷达和风廓线雷达彼此作为参照，能够判断出获取的数据是否准确，进一步提高了探测的准确性，降低飞机事故的发生。
(2)通过实时采集获取的激光雷达数据和风廓线雷达数据，采用三维坐标系中数据转换计算的方式进行识别，准确率高。利用不同探测雷达进行机场跑道上方不同高度位置的风切变识别，解决了单个类型的雷达的限制问题，也解决了传统基于地面站的低空风切变预警系统无法探测高空风场的问题。
(3)本发明的探测方法能够获取飞机跑道上空不同高度的风切变，以便获知风机在哪个高度是安全的。
(4)当两个雷达获取风速的时间差值大于阈值时，剔除这个风速，并采用相近时间或相邻位置上的激光雷达与风廓线雷达数据进行填充，提高后续风切变计算的准确性，剔除无效数据提高数据质量，提升风切变识别的精确度和告警信息的完整度。
(5)激光雷达分辨率高，通过数据分层计算，提高水平风垂直切变的探测精确性，重点关注飞机降落点上空区域，保障了飞机降落时的飞行安全。
附图说明
图1为本发明的雷达波束扫描示意图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明的激光雷达和风廓线雷达在飞机跑道上的分布示意图；
图4为本发明的探测结果在告警系统上的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和说明书附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种激光雷达与风廓线雷达联合探测识别风切变的方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1，如图3所示，风廓线雷达和激光雷达分布在飞机跑道的两端，飞机跑道南北设置，飞机从风廓线雷达飞向激光雷达，也可以从激光雷达飞向风廓线雷达。可以采用两个相同的雷达，比如两个激光雷达。本实施例中，是采用两个不同类型的雷达，分别是风廓线雷达和激光雷达，解决了其他设备探测中的不足以及水平切变和水平风垂直切变的同时探测问题。符合ICAO国际标准里对重点区域的探测。通过风廓线雷达获取风廓线雷达上空的风场数据，通过激光雷达获取激光雷达上空的风场数据，风场数据包括风速、该风速所在的高度位置、发生该风速的时间，获取的风速如图4所示。具体步骤如下：
激光雷达部署于跑道北端，采用垂直廓线扫描模式，周期性的进行五波束体制的扫描，如图1所示，其中四个波束是和水平面有夹角的。风廓线雷达部署于跑道南端，周期性的进行扫描，获取垂直方向上的探测数据。例如：每85秒左右获取一组激光雷达垂直廓线模式的数据，一组数据中包含多条垂直方向上的径向数据，一条径向数据中包括不同高度层上的风向、风速等信息；每150秒左右获取一组风廓线雷达廓线数据，数据中包括不同高度层上的风向、风速等信息。径向即沿着波束的方向。
Figure BDA0002374975740000051
Figure BDA0002374975740000052
其中，v1i、v2i、v3i、v4i分别是激光雷达的第一个波束、第二个波束、第三个波束、第四个波束在高度i位置处获取的风的分速度，该风的分速度建立在极坐标上，风速为矢量，两个风速相减除以2，为求两个风速大小之和的绝对值，第一个波束和第三个波束关于竖直方向对称设置，第二个波束和第四个波束关于竖直方向对称设置，第一个波束、第二个波束、第三个波束、第四个波束均匀分布在激光雷达扫描形成的圆周上，v1i、v2i、v3i、v4i与水平方向的夹角均为α，offset为设定的校准角度，offset为30°。
在同一高度i位置处，激光雷达获取其上空高度i处风速vi的时间为t激光，风廓线雷达获取其上空高度i处风速Vi的时间为t风廓，若t激光与t风廓之差的绝对值小于设定的阈值，则保存风速vi，否则删除该风速vi并采用相邻时间和/或相邻位置的风速填充，填充之后的风速作为激光雷达上空高度i处的风速v′i。本实施例中，设定的阈值为60s，相邻时间即在获取高度i处风速Vi的前5s和后5s。
Figure BDA0002374975740000053
其中，其中，hi-1为i-1位置处的高度，hi为i位置处的高度，hi+1为i+1位置处的高度，hi+1大于hi，hi大于hi-1，xi+1为hi+1高度的风速vi+1在直角坐标系中的横坐标，yi+1为hi+1高度的风速vi+1在直角坐标系中的纵坐标，xi-1为hi-1高度的风速vi-1在直角坐标系中的横坐标，yi-1为hi-1高度的风速vi-1在直角坐标系中的纵坐标；其中，在高度hi+1处，第一个波束获取的风的分速度为v1(i+1)，第二个波束获取的风的分速度v2(i+1)，第三个波束获取的风的分速度v3(i+1)，第四个波束获取的风的分速度v4(i+1)，风速vi+1为v1(i+1)、v2(i+1)、v3(i+1)和v4(i+1)的合速度；在高度hi-1处，第一个波束获取的风的分速度为v1(i-1)，第二个波束获取的风的分速度v2(i-1)，第三个波束获取的风的分速度v3(i-1)，第四个波束获取的风的分速度v4(i-1)，风速vi-1为v1(i-1)、v2(i-1)、v3(i-1)和v4(i-1)的合速度，风速vi+1的分速度与风速vi-1的分速度不同，因此，风速vi+1和风速vi-1不一样，且它们在坐标系上的坐标也不一样。
S2，通过激光雷达上空的风场数据和风廓线雷达上空的风场数据，获取机场跑道上空的风切变数据，风切变数据包括风切变的值、发生风切变的时间、风切变的高度位置；其中，风切变的值为在同一高度上的风廓线雷达获取的风速与激光雷达获取的风速的两者之差的绝对值。
风切变的值为Fi：
Fi＝|Vi*cos(Di+θ)-vi*cos(di+θ)|
其中，Fi为高度i位置处的风切变的值，Vi为风廓线雷达上空高度i位置处的风速大小，Di为风廓线雷达上空高度i位置处的风向，vi为激光雷达上空高度i位置处的风速，di为激光雷达上空高度i位置处的风向，风向即风的方向与水平面之间的夹角，θ为常数，即为跑道的北侧偏北角度，本实施例中，θ为30°。
如果在步骤S1中，若t激光与t风廓之差的绝对值大于设定的阈值，则风切变的值Fi的计算公式中的vi替换为v′i。
S3，若风切变的值大于标准值，则机场的报警系统提示告警信息，否则不提示告警信息，如图4所示，DBS模式告警显示了告警信息，告警信息包括发生风切变的值大于标准值的高度位置和时间。本实施例中，标准值为7.5m/s。

Claims (9)

1.一种激光雷达与风廓线雷达联合探测识别风切变的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，通过风廓线雷达获取风廓线雷达上空的风场数据，通过激光雷达获取激光雷达上空的风场数据，风场数据包括风速、该风速所在的高度位置、发生该风速的时间；
S2，通过激光雷达上空的风场数据和风廓线雷达上空的风场数据，获取机场跑道上空的风切变数据，所述风切变数据包括风切变的值、发生风切变的时间、风切变的高度位置；其中，风切变的值为在同一高度上的风廓线雷达获取的风速与激光雷达获取的风速的两者之差的绝对值；
S3，若风切变的值大于标准值，则机场的报警系统提示告警信息，否则不提示告警信息，告警信息包括发生风切变的值大于标准值的高度位置和时间。
2.如权利要求1所述的探测识别风切变的方法，其特征在于，风切变的值为Fi：
Fi＝|Vi*cos(Di+θ)-vi*cos(di+θ)|
其中，Fi为高度i位置处的风切变的值，Vi为风廓线雷达上空高度i位置处的风速大小，Di为风廓线雷达上空高度i位置处的风向，vi为激光雷达上空高度i位置处的风速，di为激光雷达上空高度i位置处的风向，风向即风的方向与水平面之间的夹角，θ为常数。
3.如权利要求2所述的探测识别风切变的方法，其特征在于：
Figure FDA0002374975730000011
Figure FDA0002374975730000012
其中，v1i、v2i、v3i、v4i分别是激光雷达的第一个波束、第二个波束、第三个波束、第四个波束在高度i位置处获取的风的分速度，v1i、v2i、v3i、v4i与水平方向的夹角均为α，offset为设定的校准角度。
4.如权利要求3所述的探测识别风切变的方法，其特征在于：第一个波束和第三个波束关于竖直方向对称设置，第二个波束和第四个波束关于竖直方向对称设置。
5.如权利要求4所述的探测识别风切变的方法，其特征在于：第一个波束、第二个波束、第三个波束、第四个波束均匀分布在激光雷达扫描形成的圆周上。
6.如权利要求2或3或4或5所述的探测识别风切变的方法，其特征在于：在同一高度i位置处，激光雷达获取其上空高度i处风速vi的时间为t激光，风廓线雷达获取其上空高度i处风速Vi的时间为t风廓，若t激光与t风廓之差的绝对值小于设定的阈值，则保存风速vi，否则删除该风速vi并采用相邻时间和/或相邻位置的风速填充，填充之后的风速作为激光雷达上空高度i处的风速v′i。
7.如权利要求6所述的探测识别风切变的方法，其特征在于：
Figure FDA0002374975730000021
其中，hi-1为i-1位置处的高度，hi为i位置处的高度，hi+1为i+1位置处的高度，hi+1大于hi，hi大于hi-1，xi+1为hi+1高度的风速vi+1在直角坐标系中的横坐标，yi+1为hi+1高度的风速vi+1在直角坐标系中的纵坐标，xi-1为hi-1高度的风速vi-1在直角坐标系中的横坐标，yi-1为hi-1高度的风速vi-1在直角坐标系中的纵坐标；其中，在高度hi+1处，第一个波束获取的风的分速度为v1(i+1)，第二个波束获取的风的分速度v2(i+1)，第三个波束获取的风的分速度v3(i+1)，第四个波束获取的风的分速度v4(i+1)，风速vi+1为v1(i+1)、v2(i+1)、v3(i+1)和v4(i+1)的合速度；在高度hi-1处，第一个波束获取的风的分速度为v1(i-1)，第二个波束获取的风的分速度v2(i-1)，第三个波束获取的风的分速度v3(i-1)，第四个波束获取的风的分速度v4(i-1)，风速vi-1为v1(i-1)、v2(i-1)、v3(i-1)和v4(i-1)的合速度。
8.如权利要求1所述的探测识别风切变的方法，其特征在于：所述激光雷达和风廓线雷达分别位于飞机跑道长度方向的两端。
9.如权利要求6所述的探测识别风切变的方法，其特征在于：所述相邻时间为5s。
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