CN117420569B - 一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法 - Google Patents

一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，一个周期内包括若干光束，包括以下步骤：S1、预设当前设备光束数量，对每个光束进行编号；并对每个光束进行权重值分配；S2、预设参数，预设最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值、预设速度区间宽度映射表；距离门数量；均匀风场光束数量阈值的初始值；设置光束速度区间信息缓存窗；本发明能够应用于复杂地形的非均匀风场的风场反演，通过对多普勒激光测风扫描风场的预处理，减少现有技术对于扫描风场直接进行风场反演所带来的精度误差，从而更精准的反演目标风场。

Description

一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法
技术领域
本发明涉及雷达测风领域，具体涉及一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法。
背景技术
风场测量的方法有很多种，其中多普勒测风激光雷达具有测量精度高、响应速度快、探测范围大，在风场的精确测量技术上具有明显的优势，成为理想的测风设备。相干多普勒激光雷达系统利用气溶胶后向散射信号与本振光的拍频信号，获取散射信号的多普勒频移，从而获得风速信息。获得的风速信息是径向风速信息，是实际风在径向风上的投影量，通过风场反演方法，利用多光束径向风速反演出想要的合成风。多普勒激光测风雷达的扫描方式有DBS、PPI、CAPPI扫描方式。
目前的风场反演算法都是基于风场均匀的假设，但是在复杂地形、光束发散角度过大时，或者探测距离比较远之后，风场均匀可靠性就会降低，那么基于风场均匀假设的风场反演模型就会不适用，反演的风场信息精度就会下降。
发明内容
本发明的目的在于针对在复杂地形、光束发散角度过大时，或者当探测距离比较远时，风场均匀可靠性降低，基于风场均匀假设的风场反演模型不再适用，造成反演的风场信息精度降低，针对此不足，提出了一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，一个周期内包括若干光束，包括以下步骤：
S1、预设当前设备光束数量n，对每个光束进行编号i，i=1,2,...,n；并对每个光束进行权重值分配；
S2、预设参数，预设最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值、预设速度区间宽度映射表；距离门数量m；均匀风场光束数量阈值的初始值；方位角和俯仰角/>；设置光束速度区间信息缓存窗，按照光束编号从小到大顺序，存储n个光束的径向风速/>、水平分量/>、竖直分量/>在所有距离门内的速度区间信息，形成数据集，包括径向风速区间、水平分量速度区间/>、竖直分量速度区间/>；
S3、输入采集到的第i个光束的径向风速，；
S4、基于水平二维坐标系，计算得到每个光束在所有距离门内的水平分量，和竖直分量/>，/>；
S5、将第i个光束在每个距离门内的径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最大值和最小值与最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值进行比较，确认是否需要更新最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值；
若任意一个径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最大值大于最大值风速门限阈值，
或任意一个径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最小值小于最小值风速门限阈值，均需要更新对应的最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈，随后跳S3；
若所有径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最大值小于等于最大值风速门限阈值，
和所有径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最小值大于等于最小值风速门限阈值，则不更新，跳S6；
S6、根据当前最大值风速门限阈值和最小值风速门限阈值的差值，结合预设速度区间宽度映射表，得到新的速度区间宽度；
S7、根据新的速度区间宽度，更新所有光束在所有距离门内的数据集，并存储于光束速度区间信息缓存窗内，数据集包括径向风速区间集，；水平分量速度区间，/>；竖直分量速度区间，/>；
S8、判断当前光束速度区间信息缓存窗中是否所有光束的数据集均更新完成，若没有全部更新完成，则跳S7；若全部更新完成，则跳S9；
S9、根据更新后的数据集，进行均匀风场判断，在同一个距离门、同一速度区间是否存在相邻光束，若存在相邻光束，则存在均匀风场；若不存在相邻光束，则不存在均匀风场；
S10、判断均匀风场内的光束数量是否大于等于均匀风场光束数量阈值，若均匀风场内的光束数量大于或等于均匀风场光束数量阈值，则执行S11，若小于，则跳S2；
S11、根据预设的光束的权重值，为均匀风场内的光束分配权重，并筛选出权重最大的两个光束；
S12、将筛选出的两个光束进行水平风场反演，得到水平风速V、水平风向Dir。
作为本发明的进一步优选，所述对每个光束进行权重值分配为根据光束距离目标相差角度最近原则，相差角越小，权重越大，且所有光束权重值的和为1。
作为本发明的进一步优选，根据下式计算得到所述水平分量和竖直分量/>，
。
作为本发明的进一步优选，所述根据新的速度区间宽度，更新所有光束在所有距离门内的数据集，包括：
根据下式计算得到当前光速的径向风速区间、水平分量速度区间、竖直分量速度区间/>，并存储于光束速度区间信息缓存窗；
，
，
。
作为本发明的进一步优选，所述均匀风场包括：水平分量均匀风场、竖直分量均匀风场、径向风速均匀风场以及水平分量均匀风场和竖直分量均匀风场的交集风场。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S10包括：
S101、按照优先级，选择最优均匀风场；
S102、确认最优均匀风场内光束编号；
S103、判断最优均匀风场内的光束数量是否大于等于均匀风场光束数量阈值；
S104、若均匀风场内的光束数量大于或等于均匀风场光束数量阈值，则执行S11；
S105、若小于，则跳S2。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S12包括：
S121、将两个光束进行编号，光束标号小的径向风速为R1，光束标号大的径向风速为R2；
S122、根据
，
基于水平二维坐标系，其中为光束的方位角，光束与x轴的夹角带有正负方向属性；/>、/>是水平风速的水平分量、竖直分量；
S123、根据
，
计算得到水平风速V、水平风向Dir。
本发明的有益之处在于：
1、本发明能够应用于复杂地形的非均匀风场的风场反演，通过对多普勒激光测风扫描风场的预处理，减少现有技术对于扫描风场直接进行风场反演所带来的精度误差，从而更精准的反演目标风场；
2、对非均匀风场通过多普勒激光测风雷达扫描并进行均匀风场网格预处理，提高非均匀风场测风的精准度；
3、将非均匀风场划分为若干均匀风场，结合权重值，为测风精度再加一层保障；
4、通过寻优，在整体的扫描区域中去寻找局部最优均匀风场，提高风场均匀的可靠性，从而提高风场探测精度。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是水平分量均匀风场、竖直分量均匀风场的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明涉及的一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法可适用于雷达的PPI、DBS、CAPPI等多种扫描方式，适用范围广，精度高。
实施例一：结合图1和2，一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，一个周期内包括若干光束，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预设当前设备光束数量n，对每个光束进行编号i，i=1,2,...,n；并对每个光束进行权重值分配。
所述对每个光束进行权重值分配为根据光束距离目标相差角度最近原则，相差角越小，权重越大，且所有光束权重值的和为1。
S2、预设参数，预设最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值、预设速度区间宽度映射表；距离门数量m；均匀风场光束数量阈值的初始值；方位角和俯仰角/>；设置光束速度区间信息缓存窗，按照光束编号从小到大顺序，存储n个光束的径向风速/>、水平分量/>、竖直分量/>在所有距离门内的速度区间信息，形成数据集，包括包括径向风速区间/>、水平分量速度区间/>、竖直分量速度区间/>。
根据下式计算得到所述水平分量和竖直分量/>，
。
S3、输入采集到的第i个光束的径向风速，。
S4、基于水平二维坐标系，计算得到每个光束在所有距离门内的水平分量，和竖直分量/>，/>。
S5、将第i个光束在每个距离门内的径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最大值和最小值与最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值进行比较，确认是否需要更新最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值；
若任意一个径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最大值大于最大值风速门限阈值，
或任意一个径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最小值小于最小值风速门限阈值，均需要更新对应的最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈，随后跳S3；
若所有径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最大值小于等于最大值风速门限阈值，
和所有径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最小值大于等于最小值风速门限阈值，则不更新，跳S6；
S6、根据当前最大值风速门限阈值和最小值风速门限阈值的差值，结合预设速度区间宽度映射表，得到新的速度区间宽度。
所述根据新的速度区间宽度，更新所有光束在所有距离门内的数据集，包括：
根据下式计算得到当前光速的径向风速区间、水平分量速度区间、竖直分量速度区间/>，并存储于光束速度区间信息缓存窗；
，
，
。
S7、根据新的速度区间宽度，更新所有光束在所有距离门内的数据集，并存储于光束速度区间信息缓存窗内，数据集包括径向风速区间集，；水平分量速度区间，/>；竖直分量速度区间，/>。
S8、判断当前光束速度区间信息缓存窗中是否所有光束的数据集均更新完成，若没有全部更新完成，则跳S7；若全部更新完成，则跳S9；
S9、根据更新后的数据集，进行均匀风场判断，在同一个距离门、同一速度区间是否存在相邻光束，若存在相邻光束，则存在均匀风场；若不存在相邻光束，则不存在均匀风场。
所述均匀风场包括：水平分量均匀风场、竖直分量均匀风场、径向风速均匀风场以及水平分量均匀风场和竖直分量均匀风场的交集风场。
S10、判断均匀风场内的光束数量是否大于等于均匀风场光束数量阈值，若均匀风场内的光束数量大于或等于均匀风场光束数量阈值，则执行S11，若小于，则跳S2。
包括以下具体步骤：
S101、按照优先级，选择最优均匀风场。
S102、确认最优均匀风场内光束编号。
S103、判断最优均匀风场内的光束数量是否大于等于均匀风场光束数量阈值。
S104、若均匀风场内的光束数量大于或等于均匀风场光束数量阈值，则执行S11。
S105、若小于，则跳S2。
S11、根据预设的光束的权重值，为均匀风场内的光束分配权重，并筛选出权重最大的两个光束。
S12、将筛选出的两个光束进行水平风场反演，得到水平风速V、水平风向Dir。
包括以下具体步骤：
S121、将两个光束进行编号，光束标号小的径向风速为R1，光束标号大的径向风速为R2。
S122、根据
，
基于水平二维坐标系，其中为光束的方位角，光束与x轴的夹角带有正负方向属性；/>、/>是水平风速的水平分量、竖直分量。
S123、根据
，
计算得到水平风速V、水平风向Dir。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，一个周期内包括若干光束，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预设当前设备光束数量n，对每个光束进行编号i，i=1,2,...,n；并对每个光束进行权重值分配；
S2、预设参数，预设最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值、预设速度区间宽度映射表；距离门数量m；均匀风场光束数量阈值的初始值；方位角和俯仰角/>；设置光束速度区间信息缓存窗，按照光束编号从小到大顺序，存储n个光束的径向风速/>、水平分量、竖直分量/>在所有距离门内的速度区间信息，形成数据集，包括径向风速区间、水平分量速度区间/>、竖直分量速度区间/>；
S3、输入采集到的第i个光束的径向风速，/>；
S4、基于水平二维坐标系，计算得到每个光束在所有距离门内的水平分量，和竖直分量/>，/>；
S5、将第i个光束在每个距离门内的径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最大值和最小值与最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值进行比较，确认是否需要更新最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈值；
若任意一个径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最大值大于最大值风速门限阈值，
或任意一个径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最小值小于最小值风速门限阈值，均需要更新对应的最大值风速门限阈值、最小值风速门限阈，随后跳S3；
若所有径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最大值小于等于最大值风速门限阈值，
和所有径向风速、水平分量/>和竖直分量/>的最小值大于等于最小值风速门限阈值，则不更新，跳S6；
S6、根据当前最大值风速门限阈值和最小值风速门限阈值的差值，结合预设速度区间宽度映射表，得到新的速度区间宽度；
S7、根据新的速度区间宽度，更新所有光束在所有距离门内的数据集，并存储于光束速度区间信息缓存窗内，数据集包括径向风速区间集，；水平分量速度区间，/>；竖直分量速度区间，/>；
S8、判断当前光束速度区间信息缓存窗中是否所有光束的数据集均更新完成，若没有全部更新完成，则跳S7；若全部更新完成，则跳S9；
S9、根据更新后的数据集，进行均匀风场判断，在同一个距离门、同一速度区间是否存在相邻光束，若存在相邻光束，则存在均匀风场；若不存在相邻光束，则不存在均匀风场；
S10、判断均匀风场内的光束数量是否大于等于均匀风场光束数量阈值，若均匀风场内的光束数量大于或等于均匀风场光束数量阈值，则执行S11，若小于，则跳S2；
S11、根据预设的光束的权重值，为均匀风场内的光束分配权重，并筛选出权重最大的两个光束；
S12、将筛选出的两个光束进行水平风场反演，得到水平风速V、水平风向Dir。
2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，其特征在于，所述对每个光束进行权重值分配为根据光束距离目标相差角度最近原则，相差角越小，权重越大，且所有光束权重值的和为1。
3.根据权利要求1所述的一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，其特征在于，根据下式计算得到所述水平分量和竖直分量/>，
。
4.根据权利要求1所述的一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，其特征在于，所述根据新的速度区间宽度，更新所有光束在所有距离门内的数据集，包括：
根据下式计算得到当前光速的径向风速区间、水平分量速度区间、竖直分量速度区间/>，并存储于光束速度区间信息缓存窗；
，
，
。
5.根据权利要求1所述的一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，其特征在于，所述均匀风场包括：水平分量均匀风场、竖直分量均匀风场、径向风速均匀风场以及水平分量均匀风场和竖直分量均匀风场的交集风场。
6.根据权利要求5所述的一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，其特征在于，所述步骤S10包括：
S101、按照优先级，选择最优均匀风场；
S102、确认最优均匀风场内光束编号；
S103、判断最优均匀风场内的光束数量是否大于等于均匀风场光束数量阈值；
S104、若均匀风场内的光束数量大于或等于均匀风场光束数量阈值，则执行S11；
S105、若小于，则跳S2。
7.根据权利要求6所述的一种基于多普勒激光测风雷达的非均匀风场的反演方法，其特征在于，所述步骤S12包括：
S121、将两个光束进行编号，光束标号小的径向风速为R1，光束标号大的径向风速为R2；
S122、根据
，
基于水平二维坐标系，其中为光束的方位角，光束与x轴的夹角带有正负方向属性；/>、/>是水平风速的水平分量、竖直分量；
S123、根据
，
计算得到水平风速V、水平风向Dir。
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