CN116148886A - 一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达技术领域，公开了一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法，包括以下步骤：S1、以雷达所在位置为原点建立直角坐标系，雷达进行俯仰角为β的多波束圆锥扫描测量目标空域的风场数据，控制雷达按照设定的方位角、俯仰角进行扫描，探测各目标距离库处各波束的径向数据。本发明通过对目标空域的探测，获得各扫描波束的视向风数据，根据浮标平台姿态及运动速度对视向风矢量进行补偿修正后，再同一高度层的视向风数据反演得到浮标平台上方由风速、风向及垂直气流形成的三维风场信息，提高了风场反演的精度。

Description

一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，各沿海国家已经将海洋经济和海洋科技等领域的发展提升为国家级战略高度，对海洋环境探测的需求也越来越高。海面风速是一项非常重要的海态参数，对诸多海上活动都有着重要影响，然而风速遥感却仍是一个难题。在传统的海上测风方法中，一般采取在指定的海域设立一座海上测风塔，并在测风塔的不同高度处设置风速风向传感器进行测试。但是，设立这种传统的海上测风塔需要在海上进行桩基础的施工，建设成本高，周期长，对正常开展海上试验带来了较多不变，而且海上测风塔在测试结束被拆除后，无法重复使用，经济性较差。以浮标为平台的激光测风雷达，能够进行远海自动化观测、测量精度高、时空分辨率高、长期可靠，海上投放安装较为方便，可以在拆除后回收再利用，建设成本和回收难度都较低，目前正在受到广泛应用。

激光浮标雷达是一种结合了海上浮标、激光雷达以及定位系统的新型测风系统，通过将激光雷达设置在海上浮标上，可以实现远海的风力测量，但海上浮标会随波浪起伏，从而造成平台姿态的变化，使得激光雷达测量结果出现测量误差。为了保证激光雷达测量数据的精度，需要对其所测得的风场数据进行一系列的校正，目前，针对该问题的主要解决方法几乎都是从浮标平台的姿态及平台的运动速度着手进行风场校正，没有考虑各扫描波束视向风速在不同高度间的补偿修正。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法,以解决现有的风场校正方法几乎都是从浮标平台的姿态及平台的运动速度着手进行，没有考虑各扫描波束视向风速在不同高度间的补偿修正的技术问题。

为实现上述目的，本发明的基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法的具体技术方案如下：

一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法，包括以下步骤：

S1、以雷达所在位置为原点建立直角坐标系，雷达进行俯仰角为β的多波束圆锥扫描测量目标空域的风场数据，控制雷达按照设定的方位角、俯仰角进行扫描，探测各目标距离库处各波束的径向数据V_r,i(i＝1，2，…，8)，各波束所对应的方位及俯仰分别为V_r,i(α_i,β)(i＝1，2，…，8)，则雷达坐标系中的径向风矢量可以表示为：V_r,i＝(sinα_i cosβ,sinα_icosβ,sinβ)。

S2、由设置在浮标上的运动传感器获取浮标平台在所在海域的姿态信息，包括航向角φ，横摇角ψ，纵摇角ξ，则转台坐标系到地里坐标系的转换矩阵为

径向速度V_r,i(i＝1，2，…，8)经过坐标变换后变为V_rm,im＝T·V_r,i ^T。

S3、由设置在浮标上的运动传感器获取浮标的运动量Vp(ν_E，ν_N，ν_S)(东北天坐标系)，得到风速的校正系数v_brad＝(v_E,v_N,v_S)^T·V_rm,_im，因此，仅由风场运动引起的多普勒频移所产生的径向速度v_R,i可以表示为：v_R,i＝v_brad-v_r,i(i＝1,2,…,8)。

S4、对每一条修正后的径向速度进行拟合，

v_R,i＝p0+p1*R+p2*R²+…+pn*Rⁿ(i＝1,2,…,8)

R为径向距离，将径向速度插值到相同的高度h,则：

v_h,i＝p0+p1*h+p2*h²+…+pn*hⁿ

S5、将插值到同一高度层的径向速度记为v_h,i(i＝1,2,…,8),其在地理坐标系下的方位、俯仰记为(θ_i,μ_i),则

通过最优化方法，获得该方程组的最优解，得到三维风场(u,v,w)。

本发明的基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法具有以下优点：通过对目标空域的探测，获得各扫描波束的视向风数据，根据浮标平台姿态及运动速度对视向风矢量进行补偿修正后，再同一高度层的视向风数据反演得到浮标平台上方由风速、风向及垂直气流形成的三维风场信息，提高了风场反演的精度。

附图说明

图1为本发明所涉及的浮标平台激光雷达扫描探测示意图；

图2是本发明所涉及的坐标变换示意图；

图3是采用本发明所涉及的径向速度校正示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法做进一步详细的描述。

如图1-图3所示，本发明的基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法，包括以下步骤：

步骤一：以雷达所在位置为原点建立直角坐标系，雷达进行俯仰角为β的多波束圆锥扫描测量目标空域的风场数据，控制雷达按照设定的方位角、俯仰角进行扫描，探测各目标距离库处各波束的径向数据V_r,i(i＝1，2，…，8)，各波束所对应的方位及俯仰分别为V_r,i(α_i,β)(i＝1，2，…，8)，则雷达坐标系中的径向风矢量可以表示为：V_r,i＝(sinα_i cosβ,sinα_i cosβ,sinβ)。

步骤二：由设置在浮标上的运动传感器获取浮标平台在所在海域的姿态信息，包括航向角

横摇角ψ，纵摇角ξ，则转台坐标系到地里坐标系的转换矩阵为

径向速度V_r,i(i＝1，2，…，8)经过坐标变换后变为V_rm,im＝T·V_r,i ^T。

步骤三：由设置在浮标上的运动传感器获取浮标的运动量Vp(ν_E，ν_N，ν_S)(东北天坐标系)，得到风速的校正系数v_brad＝(v_E,v_N,v_S)^T·V_rm,_im，因此，仅由风场运动引起的多普勒频移所产生的径向速度v_R,i可以表示为：v_R,i＝v_brad-v_r,i(i＝1,2,…,8)。

步骤四：对每一条修正后的径向速度进行拟合，

v_R,i＝p0+p1*R+p2*R²+…+pn*Rⁿ(i＝1,2,…,8)

R为径向距离，将径向速度插值到相同的高度h,则：

v_h,i＝p0+p1*h+p2*h²+…+pn*hⁿ

步骤五：将插值到同一高度层的径向速度记为v_h,i(i＝1,2,…,8),其在地理坐标系下的方位、俯仰记为(θ_i,μ_i),则

通过最优化方法，获得该方程组的最优解，得到三维风场(u,v,w)。

本发明通过对目标空域的探测，获得各扫描波束的视向风数据，根据浮标平台姿态及运动速度对视向风矢量进行补偿修正后，再同一高度层的视向风数据反演得到浮标平台上方由风速、风向及垂直气流形成的三维风场信息，提高了风场反演的精度。

虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、以雷达所在位置为原点建立直角坐标系，雷达进行俯仰角为β的多波束圆锥扫描测量目标空域的风场数据，控制雷达按照设定的方位角、俯仰角进行扫描，探测各目标距离库处各波束的径向数据V_r,i(i＝1，2，…，8)，各波束所对应的方位及俯仰分别为V_r,i(α_i,β)(i＝1，2，…，8)，则雷达坐标系中的径向风矢量可以表示为：V_r,i＝(sinα_icosβ,sinα_icosβ,sinβ)。

S2、由设置在浮标上的运动传感器获取浮标平台在所在海域的姿态信息，包括航向角

横摇角ψ，纵摇角ξ，则转台坐标系到地里坐标系的转换矩阵为

径向速度V_r,i(i＝1，2，…，8)经过坐标变换后变为V_rm,im＝T·V_r,i ^T。

S3、由设置在浮标上的运动传感器获取浮标的运动量Vp(ν_E，ν_N，ν_S)(东北天坐标系)，得到风速的校正系数v_brad＝(v_E,v_N,v_S)^T·V_rm,_im，因此，仅由风场运动引起的多普勒频移所产生的径向速度v_R,i可以表示为：v_R,i＝v_brad-v_r,i(i＝1,2,…,8)。

S4、对每一条修正后的径向速度进行拟合，

v_R,i＝p0+p1*R+p2*R²+…+pn*Rⁿ(i＝1,2,…,8)

R为径向距离，将径向速度插值到相同的高度h,则：

v_h,i＝p0+p1*h+p2*h²+…+pn*hⁿ

S5、将插值到同一高度层的径向速度记为v_h,i(i＝1,2,…,8),其在地理坐标系下的方位、俯仰记为(θ_i,μ_i),则

通过最优化方法，获得该方程组的最优解，得到三维风场(u,v,w)。

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