CN111624623B - 基于激光雷达非均匀扫描的风场反演方法 - Google Patents

Abstract

基于激光雷达非均匀扫描的风场反演方法，包括1）激光雷达以非均匀的扫描方式对矢量风场进行测量；2）对扫描数据进行拟合；3）将拟合曲线的差值控制在预设范围；4）将剩余波束控制得数量大于有效波束数量的阈值，并反演整体测量区域的风速风向；5）取前一步所有探测距离的有效风向进行平均；6）将风向均值反馈至步骤1）并重复1）—4）；7）当再一次反演出整体测量区域的风速风向之后，利用VPP方法和加权统计得到精确的目标区域矢量；8）若收到指令则结束测量，将上一步测量结果输出；否则进行风向均值计算重复步骤1）‑4）、7）。本发明在提高单台激光雷达矢量风场反演的数据更新率的同时，保证了目标测量点的测量精度。

Description

基于激光雷达非均匀扫描的风场反演方法

技术领域

本发明涉及一种改进的激光雷达风场反演方法，具体涉及一种激光雷达基于非均匀扫描的风场反演方法。

背景技术

大气风场是气象探测中的重要观测参数，天气预报中提供风场的基础信息，有助于天气变化的预报；航空中的阵风、风切变等情况危害很大，风场的观测可以帮助提前做好应对准备；风力发电中也需要前方风场的测定来使风机有效运行等。扫描式激光雷达可实时提供三维空间内的风场信息，时空分辨率高，体积小，方便携带，在不方便进行塔杆搭建的地方，可实现远距离探测，广泛用于气象、环境、交通、航空、海洋、风电等诸多领域。

激光雷达将激光发射到空中，与大气分子和气溶胶颗粒等大气粒子相互作用后产生回波信号，回波信号中的包含的气溶胶的径向速度信息，通过接收器接收后向推算出风场的径向速度。

扫描式激光雷达可以进行三维风场扫描，作为一种业务化的产品，需要实时高效地进行风场测量。

多部雷达联合观测，水平风场可由其几何关系导出。

两部甚至多部雷达风场反演的空间范围有限，且只有雷达同时同步扫描的空间的数据才可用于反演。

另外受到地形、经济条件等方面的限制，实际上只有单台雷达可进行风场测量。

单激光雷达反演风场的方法是以径向速度作为风场分量，反演整体风场后再对目标区域数据进行与径向分量非共线分量的计算，多个非共线分量可精确反演出包括风速、风向的风场信息。进行远距离整体风场扫描测量时常采用均匀间隔的扫描方式，连续紧密波束扫描扇形区，波束多，耗时长，造成时间和资源浪费，数据更新率不能保证；若进行大间隔扫描，减少波束会降低测量区域的风场反演精度。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于激光雷达非均匀扫描的风场反演方法，以弥补单激光雷达风场测量技术精度低效率低的缺点，实现高精度，高效率的矢量风场测量。

基于激光雷达非均匀扫描的风场反演方法，其特征是包括以下步骤，

(1)激光雷达以非均匀的扫描方式对矢量风场进行测量：

选一个角度θ作为中心方位角，开始非均匀扫描，与中心角度越近的波束扫描角度密集，越远的波束扫描角度稀疏，以加大中心方位角波束权重，波束扫描角度具体满足一种非线性曲线函数特征，

k为起始扫描波束到结束扫描波束数的编号，k＝1,2,3......N......2N+1，N为自然数；扫描间隔f(m)为相邻两个波束扫描角度之差，满足公式(1)，其中，m为从起始波束到结束波束的扫描间隔数，a为1～3范围内任意实数，m＝1,2,3......N......2N，N为自然数；

f(m)＝exp(a(m/N-1)²) (1)

第k个波束扫描角度为

满足公式(2)，其中θ为中心角度；

(2)对于第k个波束，k＝1,2,3......N......2N+1，根据非线性风场VAD(VelocityAzimuth Display速度方位显示)反演方法，测量其风分量数据为v_k，且v_k与

构成一种正弦曲线函数

可根据正弦函数

对扫描数据进行拟合；

拟合过程是利用最小二乘法计算拟合曲线和测量数据之间的差值，如公式(3)，假设每次参与拟合的各个波束数编号按升序表示为k_b～k_e，则差值计算方法为：

而首次拟合计算中，2N+1个波束均参与计算，即此时k_b～k_e表示1～2N+1之间的所有波束；

(3)判断拟合曲线和测量数据之间的差值e是否达到预设的误差阈值T_e(e<T_e)，若大于误差阈值，说明差值过大，会降低风速反演精度，需要对差值过大的数据进行剔除后，剩余波束重复步骤(2)，直到将差值控制在预设的范围内；

(4)将剩余的波束数量跟预设的有效波束数量阈值T进行比较，若数量大于T，则进行下一步；若数量小于T，则仍取步骤(1)的中心方位角θ，重复步骤(1)-(3)，直至数量大于T，并反演整体测量区域的风速风向，也即反演所有探测距离的风速风向；

(5)由于与风向方向具有相同方位角的波束测量到的径向速度等于风速在径向仰角上的投影，将风向设置为中心方位角，有利于提高风速的反演精度，在地转偏向力的影响下，每个波束径向上不同探测距离的风向不同，

取步骤(4)的所有探测距离的有效风向进行平均(其目的在在于将所得的风向均值作为第二次测量的中心方位角，以自动调整激光雷达伺服扫描指向角度)；

(6)返回步骤(1)，并将步骤(5)所得的风向均值作为步骤(1)中θ的取值，利用步骤(1)的方式进行计算，然后进行步骤(2)、(3)、(4)的操作，以重新反演整体测量区域的风速风向；

(7)当再一次反演出整体测量区域的风速风向之后，投影到具体的目标区域，利用VPP方法，结合整场风矢量方向的径向分量和目标区域实测径向分量，求解得到与实测径向分量非共线的非共线分量

结合实测分量

和非共线分量

反演目标区域内不同测量点的矢量风场

其中：

对目标区域内的矢量风场

进行常规的加权统计，得到精确的目标区域矢量；

(8)判断是否收到测量结束指令，若收到指令则结束测量，将上一步所得的精确目标区域矢量作为测量结果；

若没有收到则测量结束指令，则以与步骤(5)同样的方式对本次反演的所有探测距离的有效风向进行平均值计算，所得的风向均值作为下一次扫描的中心方位角度θ，继续进行扫描，重复步骤(1)、(2)、(3)(4)、(7)，直至收到测量结束指令。

本发明的非均匀扫描的单激光雷达矢量风场反演方法在提高单台激光雷达矢量风场反演的数据更新率的同时，保证了目标测量点的测量精度。

附图说明

图1是本发明采用非均匀扫描的示意图。

图2是本发明实施的技术流程图。

其中，1.激光雷达，2.扫描波束，3.扫描角度，4.测量数据，5.目标区域。

具体实施方式

基于激光雷达非均匀扫描的风场反演方法，如图2所示，包括以下步骤，

(1)如图1所示，激光雷达以非均匀的扫描方式对矢量风场进行测量：

选一个角度θ作为中心方位角，开始非均匀扫描，与中心角度越近的波束扫描角度密集，越远的波束扫描角度稀疏，以加大中心方位角波束权重，波束扫描角度具体满足一种非线性曲线函数特征，

k为起始扫描波束到结束扫描波束数的编号，k＝1,2,3......N......2N+1，N为自然数；扫描间隔f(m)为相邻两个波束扫描角度之差，满足公式(1)，其中，m为从起始波束到结束波束的扫描间隔数，a为1～3范围内任意实数，m＝1,2,3......N......2N，N为自然数；

f(m)＝exp(a(m/N-1)²) (1)

第k个波束扫描角度为

满足公式(2)，其中θ为中心角度；

(2)对于第k个波束，k＝1,2,3......N......2N+1，根据非线性风场VAD(VelocityAzimuth Display速度方位显示)反演方法，测量其风分量数据为v_k，且v_k与

构成一种正弦曲线函数

可根据正弦函数

对扫描数据进行拟合；

拟合过程是利用最小二乘法计算拟合曲线和测量数据之间的差值，如公式(3)，假设每次参与拟合的各个波束数编号按升序表示为k_b～k_e，则差值计算方法为：

而首次拟合计算中，2N+1个波束均参与计算，即此时k_b～k_e表示1～2N+1之间的所有波束；

(3)判断拟合曲线和测量数据之间的差值e是否达到预设的误差阈值T_e(e<T_e)，若大于误差阈值，说明差值过大，会降低风速反演精度，需要对差值过大的数据进行剔除后，剩余波束重复步骤(2)，直到将差值控制在预设的范围内；

(4)将剩余的波束数量跟预设的有效波束数量阈值T进行比较，若数量大于T，则进行下一步；若数量小于T，则仍取步骤(1)的中心方位角θ，重复步骤(1)-(3)，直至数量大于T，并反演整体测量区域的风速风向，也即反演所有探测距离的风速风向；

(5)由于与风向方向具有相同方位角的波束测量到的径向速度等于风速在径向仰角上的投影，将风向设置为中心方位角，有利于提高风速的反演精度，在地转偏向力的影响下，每个波束径向上不同探测距离的风向不同，

取步骤(4)的所有探测距离的有效风向进行平均(其目的在在于将所得的风向均值作为第二次测量的中心方位角，以自动调整激光雷达伺服扫描指向角度)；

(6)返回步骤(1)，并将步骤(5)所得的风向均值作为步骤(1)中θ的取值，利用步骤(1)的方式进行计算，然后进行步骤(2)、(3)、(4)的操作，以重新反演整体测量区域的风速风向；

(7)当再一次反演出整体测量区域的风速风向之后，投影到具体的目标区域，利用VPP方法，结合整场风矢量方向的径向分量和目标区域实测径向分量，求解得到与实测径向分量非共线的非共线分量

结合实测分量

和非共线分量

反演目标区域内不同测量点的矢量风场

其中：

对目标区域内的矢量风场

进行常规的加权统计，得到精确的目标区域矢量；

(8)判断是否收到测量结束指令，若收到指令则结束测量，将上一步所得的精确目标区域矢量作为测量结果；

若没有收到则测量结束指令，则以与步骤(5)同样的方式对本次反演的所有探测距离的有效风向进行平均值计算，所得的风向均值作为下一次扫描的中心方位角度θ，继续进行扫描，重复步骤(1)、(2)、(3)(4)、(7)，直至收到测量结束指令。

随着风向在变化，除了第一次是预设的初始方位角，以后每次扫描都是以上一轮测量中步骤(5)得到的风向作为中心角度，进行步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(7)的操作，并调整伺服指向；直至达到设定的测量次数或收到测量结束信号。

其中加权统计如：按照目标区域内的测量点相对于目标区域中心点远近进行权重分配，测量点数量等于目标区域内覆盖的径向波束数量和每个径向上的距离点数的乘积，设目标区域测量点总数为j，具体通过对目标区域内测量点按照距离远近进行赋值，测量点风场数据为x＝x₁,x₂,x₃……x_j，对应的赋值为i＝i₁,i₂,i₃……i_j，距离中心点越近i值越大，距离中心点越远i值越小，测量点风场数据x₁对应的权重系数为w₁＝i₁/(i₁+i₂+i₃+......+i_j)，测量点风场数据x₂对应的权重系数为w₂＝i₂/(i₁+i₂+i₃+......+i_j)，以此类推，可获取每个测量点的权重，最后将测量点数据按照权重进行加权平均，得到最终目标区域风场结果为：

上述步骤(1)中，所述的中心方位角，在计算出风向之前是设置的初始方位角，在步骤(3)计算出风向后，初始方位角即被计算的风向替代，之后每次扫描都是以上一次计算的风向为中心方位角，计算波束角度并调整伺服指向。

上述步骤(2)中，第一次拟合求差时，k_b＝1，k_e＝2N+1，剔除超出范围波束数据之后再拟合求差时，剩余波束数编号按照升序排列，k_b为剩余波束数的最小编号，k_e为剩余波束数的最大编号。

Claims (1)

1.基于激光雷达非均匀扫描的风场反演方法，其特征是包括以下步骤，

(1)激光雷达以非均匀的扫描方式对矢量风场进行测量：

选一个角度θ作为中心方位角，开始非均匀扫描，与中心角度越近的波束扫描角度密集，越远的波束扫描角度稀疏，以加大中心方位角波束权重，波束扫描角度具体满足一种非线性曲线函数特征，

k为起始扫描波束到结束扫描波束数的编号，k＝1,2,3......N......2N+1，N为自然数；扫描间隔f(m)为相邻两个波束扫描角度之差，满足公式(1)，其中，m为从起始波束到结束波束的扫描间隔数，a为1～3范围内任意实数，m＝1,2,3......N......2N，N为自然数；

f(m)＝exp(a(m/N-1)²)(1)第k个波束扫描角度为

满足公式(2)，其中θ为中心角度；

(2)对于第k个波束，k＝1,2,3......N......2N+1，根据非线性风场VAD反演方法，测量其风分量数据为v_k，且v_k与

构成一种正弦曲线函数

可根据正弦函数

对扫描数据进行拟合；

拟合过程是利用最小二乘法计算拟合曲线和测量数据之间的差值，如公式(3)，假设每次参与拟合的各个波束数编号按升序表示为k_b～k_e，则差值计算方法为：

而首次拟合计算中，2N+1个波束均参与计算，即此时k_b～k_e表示1～2N+1之间的所有波束；

(3)判断拟合曲线和测量数据之间的差值e是否达到预设的误差阈值T_e，若大于误差阈值，说明差值过大，会降低风速反演精度，需要对差值过大的数据进行剔除后，剩余波束重复步骤(2)，直到将差值控制在预设的范围内；

(4)将剩余的波束数量跟预设的有效波束数量阈值T进行比较，若数量大于T，则进行下一步；若数量小于T，则仍取步骤(1)的中心方位角θ，重复步骤(1)-(3)，直至数量大于T，并反演整体测量区域的风速风向，也即反演所有探测距离的风速风向；

(5)取步骤(4)的所有探测距离的有效风向进行平均；

(6)返回步骤(1)，并将步骤(5)所得的风向均值作为步骤(1)中θ的取值，利用步骤(1)的方式进行计算，然后进行步骤(2)、(3)、(4)的操作，以重新反演整体测量区域的风速风向；

(7)当再一次反演出整体测量区域的风速风向之后，投影到具体的目标区域，利用VPP方法，结合整场风矢量方向的径向分量和目标区域实测径向分量，求解得到与实测径向分量非共线的非共线分量

结合实测分量

和非共线分量

反演目标区域内不同测量点的矢量风场

其中：

对目标区域内的矢量风场

进行常规的加权统计，得到精确的目标区域矢量；

(8)判断是否收到测量结束指令，若收到指令则结束测量，将上一步所得的精确目标区域矢量作为测量结果；

若没有收到则测量结束指令，则以与步骤(5)同样的方式对本次反演的所有探测距离的有效风向进行平均值计算，所得的风向均值作为下一次扫描的中心方位角度θ，继续进行扫描，重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(7)，直至收到测量结束指令。

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