CN116027356A - 一种远程激光测风雷达系统方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远程激光测风雷达系统方法，该方法包括以下步骤：通过预先配置的双三维测风激光雷达，对矢量风场中的径向风速进行测量、采集与计算；利用主控机对双三维测风激光雷达的数据进行处理；若双三维测风激光雷达的数据不一致时，则对数据的不一致进行同步处理。本发明通过主控机下发扫描参数至两台多普勒激光测风雷达，并利用实时获得的秒级径向风速进行矢量风场的反演，通过主控机来减慢两台雷达中速度相对较快的一台反应时间以及利用阈值来进行时间同步；对电机编码器位置读数、校准、调平、镜面安装产生的偏差进行补偿，进而使得两台多普勒激光测风雷达实现空间同步。

Description

一种远程激光测风雷达系统方法

技术领域

本发明涉及气象研究领域，具体来说，涉及一种远程激光测风雷达系统方法。

背景技术

在气象研究和应用的广阔领域中，如保障航空安全、提高风能利用率、大气污染监测，完整准确地了解矢量风场的情况是非常重要的。在保障航空安全方面，相干多普勒测风激光雷达，可以对晴空湍流、机场风切变等进行有效探测，提高飞机起降安全和机场运行效率。在提高风能利用率方面，经过十几年发展，出现了基于相干多普勒测风激光雷达的风电厂选址评估方法，前馈涡轮机控制策略和功率曲线评估方法，在大气污染监测方面，使用相干多普勒测风激光雷达和偏振激光雷达相结合，可以通过大气回波信号的退偏振比，判断大气颗粒污染物的种类和来源，并通过风场观测，预测污染物的扩散路径。

多普勒雷达是目前唯一能够观测对流活动中风场随时间和空间变化的工具。一般来说，多普勒激光测风雷达系统由以下几个部分组成：激光器、电控模块、扫描器、电源模块及望远镜，具体而言，由出射模块发射激光经过分束器后分为出射激光、本振光，将出射激光进行调制后由望远镜射出，经过气溶胶粒子反射后与本振光进行拍频，进入数据处理模块，最后被接收模块接收。

但是，用单部雷达反演矢量风场的许多技术，需要一个风场均匀性的假设以及复杂、烦琐的数学运算和过分依赖于物理模式的预测，并且单部多普勒激光测风雷达只能测量矢量风场中的一个分量(径向风速分量)，对于完整矢量风场反演可靠性较低。用两部或多部多普勒雷达观测数据，进行矢量风场的反演，取得了较好的结果，但这种用多部多普勒雷达组网反演矢量风场的方法，由于存在造价昂贵及各雷达测量同一目标时空同步性较差的问题，在实际应用和科学研究领域中较难发展起来。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种远程激光测风雷达系统方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种远程激光测风雷达系统方法，该方法包括以下步骤：

通过预先配置的双三维测风激光雷达，对矢量风场中的径向风速进行测量、采集与计算；

利用主控机对双三维测风激光雷达的数据进行处理；

若双三维测风激光雷达的数据不一致时，则对数据的不一致进行同步处理。

进一步的，所述对矢量风场中的径向风速进行计算时，通过双三维测风激光雷达获得径向风速，并对径向风速进行解析，得到径向风速分量方程：

式中，rws1、rws2为两台三维测风激光雷达获得的径向风速；

β为方位角，为俯仰角；

V_x、V_y、V_z为北、东、垂方向上的分量，垂方向上的分量为0。

进一步的，所述利用主控机对双三维测风激光雷达的数据进行处理还包括以下步骤：

利用主控机对双三维测风激光雷达下发扫描策略；

对双三维测风激光雷达测量得到的径向风速进行时空对齐，并反演矢量风场；

在双三维测风激光雷达测量过程中，对双三维测风激光雷达测量进行实时监控及干预；

其中，所述对双三维测风激光雷达测量得到的径向风速进行时空对齐，并反演矢量风场包括计算水平风速V_h及水平风向V_dir；

通过主控机根据径向风速分量方程对V_x、V_y进行解算，得到：

式中，V_x、V_y为北、东方向上的分量。

进一步的，所述双三维测风激光雷达的数据不一致包括时间不一致及空间不一致，并对时间不一致及空间不一致进行同步处理。

其中，所述对时间不一致进行同步处理时，利用主控机且通过延长测量场景中运动的命令时间对速度较快的三维测风激光雷达进行减慢。

所述利用主控机通过延长测量场景中运动的命令时间对速度较快的三维测风激光雷达进行减慢还包括以下步骤：

利用WCS网络模块计算出双三维测风激光雷达之间的时间同步性误差；

预先设定自动历程及最大延迟阈值，且若用户配置的最大延迟阈值达标，则更快的对时间响应较慢的雷达发送同步命令。

其中，所述对空间不一致进行同步处理时，包括修正电机编码器位置读数、修正校准产生的偏差达到0.1m/s的风速精度、修正调平产生的偏差实现精度达到0.5°-0.3°及修正镜面安装产生的偏差实现精度达到0.3°-0.1°。

进一步的，所述修正电机编码器位置读数时，参考编码器在无间隙方向上的位置读数获取的伺服误差，并将该伺服误差补偿到运动控制器中。

进一步的，所述修正校准产生的偏差包括以下步骤：

基于差分GPS并以UTM坐标系中的X、Y和Z坐标的形式，获取三维测风激光雷达扫描头顶部的位置；

位于径向速度测量的位置配置硬目标，并利用扫描头和硬目标顶部的位置，计算预期的方位角和仰角；

若实际原位符合标称原位，则依次引导激光束扫描硬目标顶部，同时比较预期和实际的方位角和仰角，将预期与实际的方位角偏差量和仰角偏差量引入回位PLC。

进一步的，所述修正调平产生的偏差包括以下步骤：

位于扫描头的底部设置测距仪，并位于三维测风激光雷达周围安装至少两个额外硬目标；

调平完成后，使用与原始位置测试相同的程序进行检查调平，若调平正确，则额外硬目标之间的偏移相等并趋于零，否则，通过UTM坐标系推导扫描仪头定位的坐标系，并补偿错误调平。

进一步的，所述修正镜面安装产生的偏差包括以下步骤：

位于三维测风激光雷达周围安装至少六个额外硬目标；

通过原点计算的不确定性及水平仪的俯仰和滚动计算的偏差确定三维测风激光雷达中望远镜的反射镜角位移估计偏差，并进行修正。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种远程激光测风雷达系统方法，能够由用户定义扫描模式并下发至主控机，通过主控机下发扫描参数至两台多普勒激光测风雷达，并利用实时获得的秒级径向风速进行矢量风场的反演，通过主控机来减慢两台雷达中速度相对较快的一台反应时间以及利用阈值来进行时间同步。

(2)本发明分别对电机编码器位置读数、校准、调平、镜面安装产生的偏差进行补偿，进而使得两台多普勒激光测风雷达实现空间同步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种远程激光测风雷达系统方法的流程图；

图2是远程激光测风雷达系统的框图；

图3是概率立方体示意图；

图4是机械补偿、齿隙补偿修正电机编码器位置读数产生的偏差示意图；

图5是标校三维雷达示意图；

图6是雷达分布示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种远程激光测风雷达系统方法，通过双多普勒雷达对矢量风场进行反演，远程激光测风雷达系统方法相较于现有技术，提供了在双雷达时空同步性较差问题上的解决方案。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的远程激光测风雷达系统方法，该方法包括以下步骤：

S1、通过预先配置的双三维测风激光雷达，对矢量风场中的径向风速进行测量、采集与计算；

所述对矢量风场中的径向风速进行计算时，通过双三维测风激光雷达获得径向风速，并对径向风速进行解析，得到径向风速分量方程：

式中，rws1、rws2为两台三维测风激光雷达获得的径向风速；

β为方位角，为俯仰角；

V_x、V_y、V_z为北、东、垂方向上的分量，垂方向上的分量默认为0。

S2、利用主控机对双三维测风激光雷达的数据进行处理；

在一个实施例中，所述利用主控机对双三维测风激光雷达的数据进行处理还包括以下步骤：

利用主控机对双三维测风激光雷达下发扫描策略；

对双三维测风激光雷达测量得到的径向风速进行时空对齐，进行实时秒级数据处理，并反演矢量风场；

在双三维测风激光雷达测量过程中，对双三维测风激光雷达测量进行实时监控及干预；

其中，所述对双三维测风激光雷达测量得到的径向风速进行时空对齐，并反演矢量风场包括计算水平风速V_h及水平风向V_dir；

通过主控机根据径向风速分量方程对V_x、V_y进行解算，得到：

式中，V_x、V_y为北、东方向上的分量。

如图2所示，多普勒激光测风雷达进一步包括，三维扫描器，使激光光束的发射方向及回光接收方向指向大气半球的任意方向。

望远镜，准直激光光束。

激光器，产生单频大能量激光并集成了相干探测链路。

电控模块，采集及处理探测信号并输出视向风速，并进行整机的运行控制、环境监控、通信、数据存储等。

电源模块，进行供电转换、对整机供电进行分配及监控，并配备了后备电池，防止断电后雷达发生损坏。

S3、若双三维测风激光雷达的数据不一致时，则对数据的不一致进行同步处理；

在一个实施例中，所述双三维测风激光雷达的数据不一致包括时间不一致及空间不一致，并对时间不一致及空间不一致进行同步处理。

在一个实施例中，所述对时间不一致进行同步处理时，利用主控机且通过延长测量场景中运动的命令时间对速度较快的三维测风激光雷达进行减慢。其中，由于这种方法不会增加任何额外成本，因此它被用来减少系统的最大滞后并禁止其随着时间的推移而推移。

在一个实施例中，所述利用主控机通过延长测量场景中运动的命令时间对速度较快的三维测风激光雷达进行减慢还包括以下步骤：

利用WCS(仓库管理系统)网络模块计算出双三维测风激光雷达之间的时间同步性误差；

在编码策略中预先设定自动历程及最大延迟阈值(阈值为10ms)，且若用户配置的最大延迟阈值通过(达标)，则更快的对时间响应较慢的雷达发送同步命令。

如图3所示，当雷达出现空间不一致时，在系统时间同步的假设下，概率立方体的维度越小，激光波束离被测点处越远，空间一致性越差。空间一致性受以下几个方面的影响较大。

1、电机编码器位置读数产生的偏差；

2、校准产生的偏差；

3、调平产生的偏差；

4、镜面安装产生的偏差。

在一个实施例中，所述对空间不一致进行同步处理时，包括修正电机编码器位置读数、修正校准产生的偏差达到0.1m/s的风速精度、修正调平产生的偏差实现精度达到0.5°-0.3°及修正镜面安装产生的偏差实现精度达到0.3°-0.1°。

电机编码器位置读数产生的偏差，由于电机驱动齿轮箱旋转扫描头，因此引导激光束，从电机的编码器不一定对应于实际位置，由于交互的复杂性而产生了这种疑问在电机和齿轮箱之间以及由干齿轮的缺陷箱体本身(例如齿轮、蜗杆等的制造公差)。因此，调整前馈和反馈参数，以及使用电机编码器的位置测量值以触发反馈控制，给扫描头定位的准确性带来不确定性。本发明通过机械补偿来修正这一偏差。

如图4所示，在一个实施例中，所述修正电机编码器位置读数时，参考编码器在无间隙方向上的位置读数获取的伺服误差，并将该伺服误差补偿到运动控制器中。类似地，通过将顺时针和逆时针方向(无背隙和背隙方向)的伺服误差之间的差异补偿到运动控制器中来形成背隙补偿。

校准产生的偏差，由于在测量前会对三维雷达进行光束校准，如果校准存在偏差即对波束位置也会产生一定影响。本发明提出了一套标校系统来减少标校偏差。

在一个实施例中，所述修正校准产生的偏差包括以下步骤：

基于差分GPS并以UTM坐标系中的X、Y和Z坐标的形式，获取三维测风激光雷达扫描头顶部的位置；

位于径向速度测量的位置配置硬目标，并利用扫描头和硬目标顶部的位置，计算预期的方位角和仰角；(一个硬目标安装在距离雷达100m处，或相对靠近，进行径向速度测量的位置，硬目标使用5厘米薄的测量桩，硬目标顶部的位置是通过差分GPS获得)

若实际原位符合标称原位，则依次引导激光束扫描硬目标顶部，同时比较预期和实际的方位角和仰角，将预期与实际的方位角偏差量和仰角偏差量引入回位PLC。如图5所示。

调平产生的偏差，在调平过程中，测距仪放置在扫描头的底部，即光学工作台的位置。完成调平后，使用与原始位置测试相同的程序检查调平。

在一个实施例中，所述修正调平产生的偏差包括以下步骤：

位于扫描头的底部设置测距仪，在光学元件完全对准的假设下，并位于三维测风激光雷达周围安装至少两个额外硬目标；

调平完成后，使用与原始位置测试相同的程序进行检查调平，若调平正确，则额外硬目标之间的偏移相等并趋于零，否则，如果调平失败，这些目标之间的偏移将不同，通过UTM坐标系推导扫描仪头定位的坐标系，并补偿错误调平。

镜面安装产生的偏差，在望远镜出光前，镜面会对光束进行多次反射，由镜面安装带来的反射偏差会导致波束方位产生偏差。为了估计反射镜的六个角位移及其对预期激光束方向的影响，应进行与调平测试相同的测试。

在一个实施例中，所述修正镜面安装产生的偏差包括以下步骤：

位于三维测风激光雷达周围安装至少六个额外硬目标；

通过原点计算的不确定性(即雷达摆放位置的不确定性)及水平仪的俯仰和滚动计算的偏差确定三维测风激光雷达中望远镜的反射镜角位移估计偏差，并进行修正。

本发明中：

1、由用户定义扫描策略下发主控机，再由主控机发送至双雷达。

2、双雷达测得的实时秒级数据，传输至主控机进行实时信号处理，反演矢量风场。

3、利用WCS网络模块计算，延长指令时间，降低较快雷达的响应时间。在编码策略中设定自动历程，阈值为10ms，一旦用户配置的最大延迟阈值通过，它就会向比时间响应较慢的雷达更快的发送同步命令，实现时间同步。

4、通过电机编码器位置读数、校准、调平、镜面安装产生的偏差进行补偿以实现空间同步。

在日本青森县港口有一台测风塔，在距测风塔2.5km、1.6km处放置两台3D雷达如图6，通过主控机实时接收两台激光测风雷达实时径向风速数据，并进行时空同步、数据处理等功能，最后通过两台雷达的径向风速数据结算出水平风速数据并与测风塔水平风速进行对比，满足水平风速精度小于0.1m/s，水平风向精度小于1°的精度要求。

由于与测风塔进行对比，故对设备的时空同步性提出了更高要求。在此条件下，雷达精度满足要求，从而证明时空同步性符合要求。在日本应用的一个实例中，充分体现了双雷达扫描计算水平风速时空同步性的有效性以及实时性。

综上所述，本发明的一种远程激光测风雷达系统方法，能够由用户定义扫描模式并下发至主控机，通过主控机下发扫描参数至两台多普勒激光测风雷达，并利用实时获得的秒级径向风速进行矢量风场的反演，通过主控机来减慢两台雷达中速度相对较快的一台反应时间以及利用阈值来进行时间同步。本发明分别对电机编码器位置读数、校准、调平、镜面安装产生的偏差进行补偿，进而使得两台多普勒激光测风雷达实现空间同步。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

通过预先配置的双三维测风激光雷达，对矢量风场中的径向风速进行测量、采集与计算；

利用主控机对双三维测风激光雷达的数据进行处理；

若双三维测风激光雷达的数据不一致时，则对数据的不一致进行同步处理。

2.根据权利要求1所述的一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，所述对矢量风场中的径向风速进行计算时，通过双三维测风激光雷达获得径向风速，并对径向风速进行解析，得到径向风速分量方程：

式中，rws1、rws2为两台三维测风激光雷达获得的径向风速；

β为方位角，

为俯仰角；

V_x、V_y、V_z为北、东、垂方向上的分量，垂方向上的分量为0。

3.根据权利要求2所述的一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，所述利用主控机对双三维测风激光雷达的数据进行处理还包括以下步骤：

利用主控机对双三维测风激光雷达下发扫描策略；

对双三维测风激光雷达测量得到的径向风速进行时空对齐，并反演矢量风场；

在双三维测风激光雷达测量过程中，对双三维测风激光雷达测量进行实时监控及干预；

其中，所述对双三维测风激光雷达测量得到的径向风速进行时空对齐，并反演矢量风场包括计算水平风速V_h及水平风向V_dir；

通过主控机根据径向风速分量方程对V_x、V_y进行解算，得到：

式中，V_x、V_y为北、东方向上的分量。

4.根据权利要求1所述的一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，所述双三维测风激光雷达的数据不一致包括时间不一致及空间不一致，并对时间不一致及空间不一致进行同步处理；

其中，所述对时间不一致进行同步处理时，利用主控机且通过延长测量场景中运动的命令时间对速度较快的三维测风激光雷达进行减慢。

5.根据权利要求4所述的一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，所述利用主控机通过延长测量场景中运动的命令时间对速度较快的三维测风激光雷达进行减慢还包括以下步骤：

利用WCS网络模块计算出双三维测风激光雷达之间的时间同步性误差；

预先设定自动历程及最大延迟阈值，且若用户配置的最大延迟阈值达标，则更快的对时间响应较慢的雷达发送同步命令。

6.根据权利要求4所述的一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，所述对空间不一致进行同步处理时，包括修正电机编码器位置读数、修正校准产生的偏差达到0.1m/s的风速精度、修正调平产生的偏差实现精度达到0.5°-0.3°及修正镜面安装产生的偏差实现精度达到0.3°-0.1°。

7.根据权利要求6所述的一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，所述修正电机编码器位置读数时，参考编码器在无间隙方向上的位置读数获取的伺服误差，并将该伺服误差补偿到运动控制器中。

8.根据权利要求6所述的一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，所述修正校准产生的偏差包括以下步骤：

基于差分GPS并以UTM坐标系中的X、Y和Z坐标的形式，获取三维测风激光雷达扫描头顶部的位置；

位于径向速度测量的位置配置硬目标，并利用扫描头和硬目标顶部的位置，计算预期的方位角和仰角；

若实际原位符合标称原位，则依次引导激光束扫描硬目标顶部，同时比较预期和实际的方位角和仰角，将预期与实际的方位角偏差量和仰角偏差量引入回位PLC。

9.根据权利要求6所述的一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，所述修正调平产生的偏差包括以下步骤：

位于扫描头的底部设置测距仪，并位于三维测风激光雷达周围安装至少两个额外硬目标；

调平完成后，使用与原始位置测试相同的程序进行检查调平，若调平正确，则额外硬目标之间的偏移相等并趋于零，否则，通过UTM坐标系推导扫描仪头定位的坐标系，并补偿错误调平。

10.根据权利要求6所述的一种远程激光测风雷达系统方法，其特征在于，所述修正镜面安装产生的偏差包括以下步骤：

位于三维测风激光雷达周围安装至少六个额外硬目标；

通过原点计算的不确定性及水平仪的俯仰和滚动计算的偏差确定三维测风激光雷达中望远镜的反射镜角位移估计偏差，并进行修正。

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