CN117420570B - 一种激光雷达姿态补偿测风方法、设备以及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光雷达姿态补偿测风方法、设备以及存储介质，包括以下步骤：S1、测风雷达获取激光雷达光束的指向信息和径向风速；S2、通过全球导航卫星系统获取雷达的运动姿态信息；S3、确认运动状态下的雷达存在的误差原因：所述误差原因包括旋转坐标系下的误差、平动速度造成的误差以及距离层偏差造成的误差；相比现有技术，本发明利用GNSS（全球导航卫星系统）获取雷达自身的姿态信息，通过姿态补偿算法修正激光雷达的风速信息，校正由于姿态变化引起的雷达数据偏差。通过识别和修正姿态引起的误差，可以提高数据的准确性，进而增强雷达系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达测风领域，具体涉及一种激光雷达姿态补偿测风方法、设备以及存储介质。
背景技术
激光雷达是一种利用激光测量空气中的运动物体速度的设备。它的工作原理是通过激光器产生信号光，并通过光学天线和扫描机构将激光信号发射到空气中。当信号光与气溶胶颗粒相遇时，会产生后向散射信号，其中包含了颗粒的速度信息。通过利用多普勒原理，即回波信号的多普勒频移与颗粒运动速度之间的关系，即可计算出径向风速。激光雷达具有高精度、高分辨率、易于安装和维护以及高度自动化等优点，已经广泛用于各种领域，如环境气象监测、航空气象和风场监测等。此外，它还可以用于气溶胶监测、大气气体检测等应用。
由于机舱测风雷达主要布置在风机机舱上，陆地风机测风雷达受风机振动会产生光束倾斜、翻转、平动，海上风机受风浪影响使得测风雷达的摆动更大，从而使得雷达光束摆动偏移更大。因此需要利用GNSS（全球导航卫星系统）实时获取雷达姿态信息，利用姿态补偿算法对测风雷达的风速进行风速补偿消除风机振动带来的影响。
发明内容
本发明的目的在于针对风机机舱容易受到自身震动、外界外力的影响，导致雷达光束发生摆动偏移，从而影响测量精度，针对此不足，提出了一种激光雷达姿态补偿测风方法、设备以及存储介质。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种激光雷达姿态补偿测风方法，包括以下步骤：
S1、测风雷达获取激光雷达光束的指向信息和径向风速；
S2、通过全球导航卫星系统获取雷达的运动姿态信息；
S3、确认运动状态下的雷达存在的误差原因：
所述误差原因包括旋转坐标系下的误差、平动速度造成的误差以及距离层偏差造成的误差；
S4、当误差原因为旋转坐标系下的误差时，通过雷达的运动姿态解算将雷达状态进行旋转转化，形成旋转矩阵R，并通过旋转矩阵R修正旋转带来的误差；
S5、当误差原因为平动速度造成的误差时，通过测量雷达在不同轴上的运动速度的分量合成雷达整体的运动速度来消除平动速度造成的误差；
S6、当误差原因为距离层偏差造成的误差时，通过旋转矩阵计算雷达和初始状态的空间夹角，得到不同距离层的径向风速投影和不同距离层进行投影，从而对距离层偏差造成的误差进行修正补偿。
作为本发明的进一步优选，所述雷达的运动姿态信息包括雷达的俯仰角Pitch、偏航角Heading、翻滚角Roll、平动速度、角速度。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S4具体包括：
S41、利用三维坐标系N-E-D表征雷达的空间状态；包括雷达的翻滚角Roll、俯仰角Pitch和偏航角Heading；
翻滚角Roll为绕正北方向旋转角度；
俯仰角Pitch为绕正东方向旋转角度；
偏航角Heading为绕垂直地面方向旋转角度；
S42、根据俯仰角Pitch、偏航角Heading及翻滚角Roll，整合形成旋转矩阵R；
S43、基于雷达的初始坐标，结合旋转矩阵R，得到运动状态下的雷达坐标/>，从而修正雷达旋转带来的误差。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S5具体包括：
S51、通过全球导航卫星系统测得三维坐标系下的正北速度、正东速度/>、正下速度/>；
S52、经过旋转后的三维坐标系N-E-D单位向量分别为,，/>；
S53、通过N-E-D单位向量获得全球导航卫星系统与雷达中心的指向矢量；
S54、通过
，其中分布为雷达的正北、正东、正下的角速度；计算得到雷达的平动速度/>；
S55、通过，其中，/>表示不同的距离层，/>为雷达的实测速度，计算得到修正后的不同距离层的测风风速/>。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S6具体包括：
S61、通过旋转矩阵R计算当前运动状态下的雷达和雷达初始状态的空间夹角；
S62、通过，计算得到不同距离层的风速投影/>；
S63、通过，其中，/>为实测风速的距离，计算得到不同距离层进行投影；
S64、通过，计算得到距离门的风速/>，根据距离门的风速/>对当前距离门的风速进行修成。
一种计算机设备，所述设备包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现激光雷达姿态补偿测风方法。
一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，至少一条程序指令用于被处理器加载并执行以实现激光雷达姿态补偿测风方法。
本发明提出的一种激光雷达姿态补偿测风方法、设备以及存储介质，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明利用GNSS（全球导航卫星系统）获取雷达自身的姿态信息，通过姿态补偿算法修正测风雷达的风速信息，校正由于姿态变化引起的雷达数据偏差。通过识别和修正姿态引起的误差，可以提高数据的准确性，进而增强雷达系统的性能；
2、本发明设计结构简单，算法冗余度小，姿态补偿算法可以在保持较高性能的同时降低测风雷达系统的硬件成本。
附图说明
图1是本发明涉及的雷达姿态变化示意图。
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。
本发明采用GNSS（全球导航卫星系统）获取测风雷达实时姿态信息，利用姿态矩阵进行解算，进而对原始数据进行数据订正，保证数据的准确性，适用于海上雷达和机舱雷达。
实施例一：一种激光雷达姿态补偿测风方法，包括以下步骤：
S1、测风雷达获取激光雷达光束的指向信息和径向风速。
S2、通过全球导航卫星系统获取雷达的运动姿态信息，如图1所示；所述雷达的运动姿态信息包括雷达的俯仰角Pitch、偏航角Heading、翻滚角Roll、平动速度、角速度。
S3、确认运动状态下的雷达存在的误差原因：
所述误差原因包括旋转坐标系下的误差、平动速度造成的误差以及距离层偏差造成的误差。
1、误差原因为旋转坐标系下的误差
通过雷达的运动姿态信息解算将雷达状态进行旋转转化，并通过旋转矩阵修正旋转带来的误差。
利用三维坐标系N-E-D表征雷达的运动姿态；N为正北方向，E为正东方向，D为垂直地面方向。旋转方向定义如下：绕正北方向旋转定义为翻滚角（Roll），绕正东方向旋转定义为俯仰角（Pitch），绕垂直地面方向旋转定义为偏航角（Heading）。
雷达的运动状态可以通过旋转矩阵可以写成如下形式：
基于雷达的初始坐标，结合旋转矩阵R，得到运动状态下的雷达坐标，从而修正雷达旋转带来的误差。
2、误差原因为平动速度造成的误差
通过GNSS全球导航卫星系统测得三维坐标系下的正北速度、正东速度/>、正下速度/>；经过旋转后的三维坐标系N-E-D单位向量分别为/>,，/>。
通过N-E-D单位向量获得全球导航卫星系统与雷达中心的指向矢量。
通过
，其中分布为雷达的正北、正东、正下的角速度；计算得到雷达的平动速度/>；
通过，其中，/>表示不同的距离层，/>为雷达的实测速度，计算得到修正后的不同距离层的测风风速/>，根据修正后的不同距离层的测风风速/>对当前距离层的测风风速进行修正。
3、误差原因为距离层偏差造成的误差
由于雷达的晃动，所以雷达与静止状态有夹角，因此高度层发生了变化，所以需要对高度层进行投影补偿。
通过旋转矩阵计算雷达和初始状态的空间夹角，得到不同距离层的径向风速投影和不同距离层进行投影，从而对距离层偏差造成的误差进行修正补偿。
通过旋转矩阵R计算当前运动状态下的雷达和雷达初始状态的空间夹角。
通过，计算得到不同距离层的风速投影/>。
通过，其中，/>为实测风速的距离，计算得到不同距离层进行投影/>；
通过，计算得到距离门的风速/>，根据距离门的风速/>对当前距离门的风速进行修成。
实施例二：当在海上进行测风时，通过风机进行测风，此时，风机静止，测风雷达安装的安装高度为100m。
通过全球导航卫星系统获取雷达的运动姿态信息，雷达某一时刻的运动姿态为俯仰角0°、偏航角0°、翻滚角0°、平动速度2m/s，俯仰角角速度0.1rad/s、偏航角角速度0.2rad/s、翻滚角角速度0.3rad/s。
测风雷达有4个指向光束，4个光束在某个距离门的风速分别为5m/s、6m/s、7m/s、8m/s。
为了消除旋转坐标系下的误差，通过雷达的运动姿态信息解算将雷达状态进行旋转转化，得到旋转矩阵R，，从而修正雷达旋转带来的误差。
为了消除平动速度造成的误差，通过GNSS全球导航卫星系统测得三维坐标系下的正北速度、正东速度/>、正下速度/>；经过旋转后的三维坐标系N-E-D单位向量分别为,/>，/>。
通过N-E-D单位向量获得全球导航卫星系统与雷达中心的指向矢量。
计算得到雷达的平动速度，对于不同距离层的风速-0.6由于不同距离层对应的风速不同，一般以10个距离层为一组，不同距离层的风速/>为数据集，最终/>，根据修正后的不同距离层的测风风速/>对当前距离层的测风风速进行修正。
由于海上具有风浪，雷达处于晃动状态，所以雷达与静止状态有夹角，因此高度层发生了变化，所以需要对高度层进行投影补偿。
为了消除距离层偏差造成的误差，通过旋转矩阵R计算当前运动状态下的雷达和雷达初始状态的空间夹角。
通过，计算得到不同距离层的风速投影/>。
实测风速的距离，通过，计算得到不同距离层进行投影/>；
通过，计算得到距离门的风速/>，/> =[ 2.7329 ,3.4161 ,4.0994, 4.7826 , 5.4658 ,6.1491 6.8323, 7.5155,8.1988, 8.8820]。
根据距离门的风速对当前距离门的风速进行修成，从而对距离层偏差造成的误差进行修正补偿。
一种计算机设备，所述设备包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现激光雷达姿态补偿测风方法。
一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，至少一条程序指令用于被处理器加载并执行以实现激光雷达姿态补偿测风方法。
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 (3)
1.一种激光雷达姿态补偿测风方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测风雷达获取激光雷达光束的指向信息和径向风速；
S2、通过全球导航卫星系统获取雷达的运动姿态信息；
所述雷达的运动姿态信息包括雷达的俯仰角Pitch、偏航角Heading、翻滚角Roll、平动速度、角速度；
S3、确认运动状态下的雷达存在的误差原因：
所述误差原因包括旋转坐标系下的误差、平动速度造成的误差以及距离层偏差造成的误差；
S4、当误差原因为旋转坐标系下的误差时，通过雷达的运动姿态解算将雷达状态进行旋转转化，形成旋转矩阵R，并通过旋转矩阵R修正旋转带来的误差；
S41、利用三维坐标系N-E-D表征雷达的空间状态；包括雷达的翻滚角Roll、俯仰角Pitch和偏航角Heading；
翻滚角Roll为绕正北方向旋转角度；
俯仰角Pitch为绕正东方向旋转角度；
偏航角Heading为绕垂直地面方向旋转角度；
S42、根据俯仰角Pitch、偏航角Heading及翻滚角Roll，整合形成旋转矩阵R；
S43、基于雷达的初始坐标，结合旋转矩阵R，得到运动状态下的雷达坐标/>，从而修正雷达旋转带来的误差；
S5、当误差原因为平动速度造成的误差时，通过测量雷达在不同轴上的运动速度的分量合成雷达整体的运动速度来消除平动速度造成的误差；
S51、通过全球导航卫星系统测得三维坐标系下的正北速度、正东速度/>、正下速度；
S52、经过旋转后的三维坐标系N-E-D单位向量分别为,，/>；
S53、通过N-E-D单位向量获得全球导航卫星系统与雷达中心的指向矢量；
S54、通过
，其中分布为雷达的正北、正东、正下的角速度；计算得到雷达的平动速度/>；
S55、通过，其中，/>表示不同的距离层，/>为雷达的实测速度，计算得到修正后的不同距离层的测风风速/>；
S6、当误差原因为距离层偏差造成的误差时，通过旋转矩阵计算雷达和初始状态的空间夹角，得到不同距离层的径向风速投影和不同距离层进行投影，从而对距离层偏差造成的误差进行修正补偿；
S61、通过旋转矩阵R计算当前运动状态下的雷达和雷达初始状态的空间夹角；
S62、通过，计算得到不同距离层的风速投影/>；
S63、通过，其中，/>为实测风速的距离，计算得到不同距离层进行投影/>；
S64、通过，计算得到距离门的风速/>，根据距离门的风速/>对当前距离门的风速进行修成。
2.一种计算机设备，其特征在于，所述设备包括一个或多个处理器和存储器，所述存储器用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现如权利要求1所述的方法。
3.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有至少一条程序指令，至少一条程序指令用于被处理器加载并执行以实现如权利要求1述的方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xiao Zengli Inventor after: Wang Zuopeng Inventor after: Liu Zhixin Inventor after: Shao Tongda Inventor after: Jiang Dandan Inventor after: Hao Chunxiao Inventor before: Wang Zuopeng Inventor before: Liu Zhixin Inventor before: Xiao Zengli Inventor before: Shao Tongda Inventor before: Jiang Dandan Inventor before: Du Chunxiao |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |