CN117434296B - 激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法、设备、存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法，包括以下步骤：S1、基于风机的基本参数，以风机的底部中心为原点，建立风机坐标系；风机的基本参数包括风机叶轮的直径D、轮毂高度L；S2、在风机叶轮前侧建立若干目标点位n，目标点位n包括5个点位，分别为上象限点位、左象限点位、右象限点位、下象限点位和中心点位；目标点位n的中心点位与风机叶轮的中心位于同一水平面；相比现有技术，本发明通过在叶轮面前设立目标点位、建立以风机底部为原点的坐标系、计算各点位雷达所需俯仰角方位角、双雷达同步扫描、利用VAD反演水平风速、水平风向、衡量数据有效性。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达测风领域，具体涉及激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法、设备、存储介质。
背景技术
激光雷达以激光为媒介，运动的气溶胶颗粒会使反射波发生多普勒频移，从而计算出风速和风向信息。由于其具有高时空分辨率、安装简单易维护、自动化程度高等优势。激光测风雷达已被广泛应用于各个领域，如环境气象监测、航空气象和风场监测等。
通常使用机舱雷达进行风机叶轮面前风速测量，但其由于波束位置固定不能灵活配置，安装时具有较高要求，一般选择安装在风机顶部，环境适应性较低。现有技术针对风机叶轮面前风速分析手段有限，主要通过机舱雷达、光纤传感实现，光纤传感需要附着粘贴至风机叶轮面叶根处，测量点位单一且布放较为困难，机舱雷达放置于风机舱顶处且波束方向固定，易受遮挡且扫描模式单一。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的风机叶轮面前风速分析手段有限，光纤传感需要附着粘贴至风机叶轮面叶根处，测量点位单一且布放较为困难，机舱雷达放置于风机舱顶处且波束方向固定，易受遮挡且扫描模式单一；针对此不足，提出了激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法、设备、存储介质。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法，包括以下步骤：
S1、基于风机的基本参数，以风机的底部中心为原点，建立风机坐标系；风机的基本参数包括风机叶轮的直径D、轮毂高度L；
S2、在风机叶轮前侧建立若干目标点位n，目标点位n包括5个点位，分别为上象限点位、左象限点位、右象限点位、下象限点位和中心点位；目标点位n的中心点位与风机叶轮的中心位于同一水平面；当目标点位n为1时，目标点位n的中心点位到风机叶轮的中心的距离为0.5D；当目标点位n大于1时，目标点位n的中心点位到风机叶轮的中心的距离为（n-1）D；
S3、将第一雷达和第二雷达设置于风机底部，形成坐标1（x1，y1，1）和坐标2（x2，y2，1）；
S4、第一雷达扫描目标点位n的中心点位和任意两个象限点位；第二雷达扫描同一目标点位的中心点位和其他两个象限点位；
S5、通过
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计算中心点位的方位角和俯仰角/>；
通过
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计算左象限点位的方位角和俯仰角/>；
通过
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计算右象限点位的方位角和俯仰角/>；
通过
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计算上象限点位的方位角和俯仰角/>；
通过
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计算下象限点位的方位角和俯仰角/>；
其中，；
S6、第一雷达和第二雷达通过VAD扫描模式，均匀扫描每个点位的上的8-10个子点位，8-10个子点位作为反演该点位水平风速和水平风向的背景风场；
S7、基于VAD扫描模式，对8-10个子点位进行VAD反演得到子点位对应的点位的水平风速、水平风向；
S8、判断第一雷达扫描的中心点位的水平风速和水平风向与第二雷达扫描的中心点位的水平风速和水平风向的是否存在误差；
S9、若水平风速的误差小于0.2m/s，且水平风向的误差小于1°，则确认第一雷达和第二雷达扫描的5个点位的水平风速和水平风向均为有效；否则第一雷达和第二雷达扫描的5个点位视为无效点位。
作为本发明的进一步优选，所述双雷达贴近设置于风机底部。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S4中第一雷达和第二雷达均接入NTP服务器，以国际标准时间UTC作为第一雷达和第二雷达的标准时间，第一雷达和第二雷达进行同步时间扫描。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S6中，第一雷达或第二雷达在进行VAD扫描时，以点位为中心，子点位左右均匀分布，且相邻两个子点位之间方位角间隔X°，俯仰角不变。
作为本发明的进一步优选，所述方位角间隔X°为1°-10°
作为本发明的进一步优选，所述第一雷达和第二雷达均为便携式三维激光扫描式雷达。
激光双雷达测量风机叶轮面风速的装置，包括数据采集模块、数据处理模块和数据输出模块；所述数据采集模块通过采集第一雷达和第二雷达扫描的点位坐标和径向风速，将点位坐标和径向风速发送至数据处理模块；数据处理模块对反演第一雷达和第二雷达扫描的点位进行反演得到点位的水平风速和水平风向，判断第一雷达和第二雷达共同扫描点位是否有效，并将判断结论发送至数据输出模块；数据输出模块通过判断结论控制数据采集模块是否需要继续采集数据；有效则不继续采集，无效则继续采集；
所述数据采集模块包括坐标系模块和雷达扫描模块，所述坐标系模块用于建立风机坐标系、确立目标点位以及采集第一雷达和第二雷达扫描的点位坐标；所述雷达扫描模块用于控制雷达以VAD扫描模式进行扫描，获得雷达的径向风速；
所述数据处理模块包括反演模块和判断模块；所述反演模块通过第一雷达和第二雷达扫描的子点位数据，以子点位作为背景风场反演得到子点位对应的点位的水平风速和水平风向，并将反演得到的水平风速和水平风向发送至判断模块；所述子点位数据包括径向风速、方位角和俯仰角；所述判断模块，用于对比第一雷达和第二雷达共同扫描的中心点位的水平风速和水平风向是否存在误差，形成判断结论，发送至数据输出模块。
一种计算机设备，所述装置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双雷达测量风机叶轮面风速的方法。
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双雷达测量风机叶轮面风速的方法。
本发明提出的激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法、设备、存储介质，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明通过在叶轮面前设立目标点位、建立以风机底部为原点的坐标系、计算各点位雷达所需俯仰角方位角、双雷达同步扫描、利用VAD反演水平风速、水平风向、衡量数据有效性；
2、通过将三维激光测风雷达放置在风机底部，安装方便，且可进行自定义扫描，对风机叶轮面进行全方位、多点位的分析；
3、本发明使用的雷达为便携式三维激光扫描式雷达；携带方便，同时安装简单，测试扫描具有多样性；
4、通过两台激光雷达同步扫描，可以缩短扫描时间；
5、利用中心点位水平风速、水平风向的误差信息来判断整套系统反演出的水平风速、水平风向的信息是否真实可靠。
附图说明
图1是风机坐标系示意图；
图2是风机叶轮前侧目标点位n的示意图；
图3是目标点位的5个点位具体位置示意图；
图4是第一雷达扫描点位示意图；
图5是第二雷达扫描点位示意图；
图6是雷达俯仰角和方位角示意图；
图7是本发明的雷达进行VAD扫描的子点位分布图；
图8是本发明的装置示意图。
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。
本发明能够测量风机叶轮面前水平风速、水平风向；还可以测量任意垂直于地面的切片风场的水平风速、水平风向。
实施例1：激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法，包括以下步骤：
S1、基于风机的基本参数，以风机的底部中心为原点，建立风机坐标系；风机的基本参数包括风机叶轮的直径D、轮毂高度L，如图1所示。
以风机底部为坐标原点，x轴正方向指北，y轴正方向指向东，z轴正方向指向天顶代表高度。
S2、在风机叶轮前侧建立若干目标点位n，目标点位n包括5个点位，分别为上象限点位、左象限点位、右象限点位、下象限点位和中心点位；目标点位n的中心点位与风机叶轮的中心位于同一水平面；当目标点位n为1时，目标点位n的中心点位到风机叶轮的中心的距离为0.5D；当目标点位n大于1时，目标点位n的中心点位到风机叶轮的中心的距离为（n-1）D，目标点位n为整数，如图2和图3所示。
测量风机前叶片所受风速、风向情况，需要确立目标点位，为了均匀分析叶轮面前风速风向信息，本发明以叶片长度D为测量直径，提供叶轮面前0.5D、1D、2D处5个点位作为目标点位，5个点位分别位于叶轮面中心、上下叶尖位置、左右叶轮中心位置（即中心点和四个象限点）。
S3、将第一雷达和第二雷达设置于风机底部，形成坐标1（x1，y1，1）和坐标2（x2，y2，1）。
由于双雷达扫描的时空同步性要求，需要将双雷达紧贴风机底部放置，由于地形的复杂性，并不能完全做到贴合，此时根据所设坐标系会产生双雷达坐标，记作LIDAR1（x1，y1，1）、LIDAR2（x2，y2，1）。
S4、第一雷达和第二雷达均接入NTP服务器，以国际标准时间UTC作为第一雷达和第二雷达的标准时间，第一雷达和第二雷达进行同步时间扫描；第一雷达扫描目标点位n的中心点位和任意两个象限点位；第二雷达扫描同一目标点位的中心点位和其他两个象限点位，如图4和图5所示。
第一雷达扫描叶轮面中心、上叶尖位置、左叶轮中心位置，第二雷达扫描叶轮面中心、下叶尖位置、右叶轮中心位置。
S5、雷达俯仰角为雷达光束与地面的夹角、雷达方位角为雷达光束与北的夹角，ele表示方位角、azi表示俯仰角，如图6所示。
S5、通过
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计算中心点位的方位角和俯仰角/>；
通过
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通过
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通过
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计算上象限点位的方位角和俯仰角/>；
通过
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计算下象限点位的方位角和俯仰角/>；
其中，。
S6、第一雷达和第二雷达通过VAD扫描模式，雷达俯仰角固定，方位角摆动式扫描；均匀扫描每个点位的上的8-10个子点位，如图7所述，8-10个子点位作为反演该点位水平风速和水平风向的背景风场。
第一雷达或第二雷达在进行VAD扫描时，以点位为中心，子点位左右均匀分布，且相邻两个子点位之间方位角间隔X°，俯仰角不变，方位角间隔X°为1°-10°。
S7、基于VAD扫描模式，对8-10个子点位进行VAD反演得到子点位对应的点位的水平风速、水平风向，反演方法可使用傅里叶级数法、梯度下降或最小二乘法进行反演，反演方法为现有技术，在本发明中不进行赘述。
S8、判断第一雷达扫描的中心点位的水平风速和水平风向与第二雷达扫描的中心点位的水平风速和水平风向的是否存在误差。
S9、若水平风速的误差小于0.2m/s，且水平风向的误差小于1°，则确认第一雷达和第二雷达扫描的5个点位的水平风速和水平风向均为有效；否则第一雷达和第二雷达扫描的5个点位视为无效点位。
实施例2：结合图8，激光双雷达测量风机叶轮面风速的装置，包括数据采集模块、数据处理模块和数据输出模块。
所述数据采集模块包括坐标系模块和雷达扫描模块，所述坐标系模块用于建立风机坐标系、确立目标点位以及采集第一雷达和第二雷达扫描的点位坐标；所述雷达扫描模块用于控制雷达以VAD扫描模式进行扫描，获得雷达的径向风速。所述数据采集模块中通过坐标系模块以风机底部中心作为原点建立坐标系，读取第一雷达和第二雷达的坐标信息，第一雷达和第二雷达理论上贴近风机底部设置，但由于环境影响，尽可能靠近风机底部即可；通过雷达扫描模块控制第一雷达和第二雷达扫描同一目标点位上的中心点位和四个象限点位中的两个点位，除中心点位外，其余点位不重复扫描；将扫描目标点位信息发送至做坐标系模块，读取对应的坐标；雷达扫描模块控制第一雷达和第二雷达对中心点位和四个象限点位的子点位进行VAD扫描，即相邻两个子点位之间方位角间隔X°，俯仰角不变；采集子点位上的数据，以子点位作为反演对应点位水平风速和水平风向的背景风场；数据采集模块将点位坐标、点位对应的径向风速以及子点位的数据信息，发送至数据处理模块。
所述数据处理模块包括反演模块和判断模块；所述反演模块通过第一雷达和第二雷达扫描的子点位数据，以子点位作为背景风场反演得到子点位对应的点位的水平风速和水平风向，并将反演得到的水平风速和水平风向发送至判断模块；所述子点位数据包括径向风速、方位角和俯仰角；数据处理模块接收信息，反演模块根据坐标信息计算出点位对应的方位角和俯仰角/>；通过子点位的数据信息反演出对应点位的水平风速和水平风向；反演方法可使用傅里叶级数法、梯度下降或最小二乘法进行反演。将反演结果发送至判断模块，判断模块根据设定的误差范围对第一雷达和第二雷达的中心点位的水平风速和水平风向进行比较，并形成判断结论；若第一雷达和第二雷达的中心点位的水平风速和水平风向比较结果均在误差范围内，则判定当前扫描的目标点位为有效目标点位，且目标点位对应的5个点位的水平风速和水平风向均为有效；若不在误差范围内，则第一雷达和第二雷达扫描的目标点位为无效点位，即第一雷达和第二雷达扫描的5个点位的水平风速和水平风向均为无效；数据处理模块将判断结论发送至数据输出模块。
数据输出模块与外部显示模块和数据采集模块连接，数据输出模块根据判断结论控制数据采集模块是否需要继续采集数据；有效则不继续采集，无效则继续采集，将判断结论传输至外部显示模块上。
本发明所使用的第一雷达和第二雷达均为便携式三维激光扫描式雷达。
一种计算机设备，所述装置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双雷达测量风机叶轮面风速的方法。
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双雷达测量风机叶轮面风速的方法。
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 (9)
1.激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于风机的基本参数，以风机的底部中心为原点，建立风机坐标系；风机的基本参数包括风机叶轮的直径D、轮毂高度L；
S2、在风机叶轮前侧建立若干目标点位n，目标点位n包括5个点位，分别为上象限点位、左象限点位、右象限点位、下象限点位和中心点位；目标点位n的中心点位与风机叶轮的中心位于同一水平面；当目标点位n为1时，目标点位n的中心点位到风机叶轮的中心的距离为0.5D；当目标点位n大于1时，目标点位n的中心点位到风机叶轮的中心的距离为（n-1）D；
S3、将第一雷达和第二雷达设置于风机底部，形成坐标1（x1，y1，1）和坐标2（x2，y2，1）；
S4、第一雷达扫描目标点位n的中心点位和任意两个象限点位；第二雷达扫描同一目标点位的中心点位和其他两个象限点位；
S5、通过
，
计算中心点位的方位角和俯仰角/>；
通过
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通过
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通过
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其中，；
S6、第一雷达和第二雷达通过VAD扫描模式，均匀扫描每个点位的上的8-10个子点位，8-10个子点位作为反演该点位水平风速和水平风向的背景风场；
S7、基于VAD扫描模式，对8-10个子点位进行VAD反演得到子点位对应的点位的水平风速、水平风向；
S8、判断第一雷达扫描的中心点位的水平风速和水平风向与第二雷达扫描的中心点位的水平风速和水平风向的是否存在误差；
S9、若水平风速的误差小于0.2m/s，且水平风向的误差小于1°，则确认第一雷达和第二雷达扫描的5个点位的水平风速和水平风向均为有效；否则第一雷达和第二雷达扫描的5个点位视为无效点位。
2.根据权利要求1所述的激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法，其特征在于，所述双雷达贴近设置于风机底部。
3.根据权利要求1所述的激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法，其特征在于，所述步骤S4中第一雷达和第二雷达均接入NTP服务器，以国际标准时间UTC作为第一雷达和第二雷达的标准时间，第一雷达和第二雷达进行同步时间扫描。
4.根据权利要求1所述的激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法，其特征在于，所述步骤S6中，第一雷达或第二雷达在进行VAD扫描时，以点位为中心，子点位左右均匀分布，且相邻两个子点位之间方位角间隔X°，俯仰角不变。
5.根据权利要求4所述的激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法，其特征在于，所述方位角间隔X°为1°-10°。
6.根据权利要求1所述的激光双雷达测量风机叶轮面风速的方法，其特征在于，所述第一雷达和第二雷达均为便携式三维激光扫描式雷达。
7.激光双雷达测量风机叶轮面风速的装置，其特征在于，包括数据采集模块、数据处理模块和数据输出模块；所述数据采集模块通过采集第一雷达和第二雷达扫描的点位坐标和径向风速，将点位坐标和径向风速发送至数据处理模块；数据处理模块对反演第一雷达和第二雷达扫描的点位进行反演得到点位的水平风速和水平风向，判断第一雷达和第二雷达共同扫描点位是否有效，并将判断结论发送至数据输出模块；数据输出模块通过判断结论控制数据采集模块是否需要继续采集数据；有效则不继续采集，无效则继续采集；所述数据输出模块与外部显示模块连接
所述数据采集模块包括坐标系模块和雷达扫描模块，所述坐标系模块用于建立风机坐标系、确立目标点位以及采集第一雷达和第二雷达扫描的点位坐标；所述雷达扫描模块用于控制雷达以VAD扫描模式进行扫描，获得雷达的径向风速；
所述数据处理模块包括反演模块和判断模块；所述反演模块通过第一雷达和第二雷达扫描的子点位数据，以子点位作为背景风场反演得到子点位对应的点位的水平风速和水平风向，并将反演得到的水平风速和水平风向发送至判断模块；所述子点位数据包括径向风速、方位角和俯仰角；所述判断模块，用于对比第一雷达和第二雷达共同扫描的中心点位的水平风速和水平风向是否存在误差，形成判断结论，发送至数据输出模块。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述装置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至6中任一项所述的方法。
9.一种计算机存储介质，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至6任一所述的方法。
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