在复杂地形中通过激光雷达进行快速风流动测量的系统和方法技术方案

提供了一种用于确定地形上方一组不同海拔处的风流动的风流动感测系统。该风流动感测系统包括：输入接口，其被配置为针对各个海拔接收地形上方现场线点处的径向速度的一组测量；以及处理器，其被配置为基于利用一组一个或多个凸形对所述地形的形状的近似上方的速度场的数据同化以拟合径向速度的测量来估计各个海拔的所述速度场，并且将各个海拔处的水平速度估计为利用所估计的速度场的垂直速度的对应水平导数校正的对应径向速度的水平投影。该风流动感测系统还包括输出接口，该输出接口被配置为渲染各个海拔处的估计的水平速度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在复杂地形中通过激光雷达进行快速风流动测量的系统和方法


[0001]本专利技术总体上涉及遥感，更具体地，涉及一种在复杂地形中通过激光雷达进行快速风流动测量的风流动感测系统和方法。

技术介绍

[0002]对于诸如气象学的许多应用以及对于诸如机场和风电场的地点的监测和表征，风流动的测量很重要。测量大范围海拔上或与广大体积对应的区域中的气团的位移常常很有用。广大体积的这种位移感测利用风速计(例如，杯式风速计)执行会是不切实际的，并且需要能够进行远程测量的遥感仪器。这些仪器尤其包括雷达、激光雷达(LiDAR)和声雷达(SODAR)。雷达和激光雷达系统分别使用超频和光频范围内的电磁波。声雷达系统使用声波。例如，对于气团/风流动的测量，仪器在要测量的区域中沿着传输轴连续地或作为脉冲发送一个或更多个波束(声波和/或电磁波)。沿着不同传输轴的传输可以是同时的或顺序的。
[0003]波束在大气中遭受到散射效应，特别是由于遇到的不均匀性(气溶胶、颗粒、对电磁波的折射率或对声波的声阻抗的变化)。当它们在气团或移动颗粒中被散射时，这些波束还因多普勒效应而经历频移。反向散射的波束由根据测量轴取向的一个或更多个接收器检测到。一个或更多个接收器沿其测量轴检测被大气在其方向上散射的波。然后可计算沿着检测器的测量轴发生散射的距离，例如通过测量飞行时间的方法或通过干涉测量法的相移测量方法。还可通过测量波因多普勒效应的频移来获得气团或颗粒沿着测量轴的径向速度。这种测量的径向速度对应于散射地点的速度向量在检测器的测量轴上的投影。
[0004]特别是，适合于测量大气下层中的风的特性的激光雷达系统常常为单基地类型。这表明相同的光学器件或相同的天线(声或电磁)用于传输和接收信号。所探测的体积通常沿着顶点位于仪器的光学器件或天线的水平处的锥体分布。仪器沿着锥体的各个脉冲束沿着与传输轴一致的测量轴测量颗粒移动的径向速度。因此，获得风的径向速度测量，其代表风向量在波束传播轴上的投影。然后基于风的径向速度测量计算遍及所有感兴趣体积的风向量(即，速度场)。
[0005]在现有仪器中，这种计算通常使用纯几何模型进行。这些模型的一个缺点在于它们基于有时相当不现实的假设，特别是在样本测量的整个持续时间内风的空间和时间均匀性。根据该假设，在给定海拔，在仪器所探测的大气的每个点处风向量相同。
[0006]使用风的空间和时间均匀性，诸如“多普勒波束摆动”(DBS)方法的一些方法通过求解具有三个未知元的至少三个方程的系统，其描述风向量与其沿着由径向速度测量构成的测量轴的投影之间的几何关系，从在至少三个不同的方向上在同一海拔测量的径向速度的至少三个度量来计算给定海拔的风向量的分量。使用几何计算的方法的示例是“速度方位显示”(VAD)方法。然而，此方法基于给定海拔的风的空间均匀性的相同假设。
[0007]当在基本上平坦的地形(起伏很小或没有起伏的地形，或近海)上方进行测量时，
使用几何技术来重构风向量的用于风测量的遥感仪器允许准确测量风的平均速度。例如，利用激光雷达系统，相对于由校准的杯式风速计构成的基准，在10分钟内平均测量获得的相对误差低于2％。另一方面，当在复杂地形(例如，起伏或山岭地形、覆盖森林的地形等)上方进行测量时，水平速度和垂直速度确定的准确性显著降低。对于利用激光雷达系统进行的测量并且相对于校准的杯式风速计，在复杂地形上观测到在10分钟内计算的平均值的相对误差大约为5％至10％。
[0008]因此，实现几何模型的仪器不允许在复杂地形上风的水平和/或垂直速度和方向的足够准确的测量。事实上，在复杂地形上方，在仪器所探测的大气体积内的给定海拔，风不能再被认为均匀。然而，在这些条件下准确测量风是有用的，特别是在开发风电场的背景下。
[0009]一些方法使用多个不同的数值模型以及优化技术来匹配激光雷达所测量的径向流速。然而，在这些方法中初始条件或边界条件的确定很麻烦。另外，由于优化技术是迭代的，所以风的测量变成繁琐的过程并且耗时且计算上昂贵，使得在线风重构会变得难以处理。
[0010]因此，仍需要一种适合于复杂地形上方的风流动测量的系统和方法。

技术实现思路

[0011]一些实施方式的目的在于提供一种从各个海拔处的径向速度的一组测量确定具有复杂形状的地形上方的一组不同海拔处的风流动的风流动感测系统和风流动感测方法。一些实施方式的目的还在于估计各个海拔处的水平速度。另外，实施方式的目的在于基于数据同化估计各个海拔的速度场。
[0012]在一些实施方式中，诸如激光雷达的遥感仪器用于测量大气中的风的特性。风的特性包括风速(水平速度和垂直速度)、湍流、风向等。激光雷达在视线(LOS)方向上测量风的径向速度。然而，水平速度向量(大小和方向)是感兴趣的参数。为此，一些实施方式基于使用几何关系从所测量的径向速度重构风。一些实施方式基于这样的认识：通过所测量的径向速度的水平投影来获得水平速度。实际上，这种投影基于均匀假设，即，所有LOS速度对应于相同的水平速度，是不准确的，因为对于不同的海拔，所测量的径向速度不同，甚至对于相同的海拔，激光雷达也测量具有不同值的五个不同的径向速度。另外，径向速度的对应水平投影没有考虑速度在垂直方向上的波动。此外，对于复杂地形(例如，山丘、或者大型建筑物或其它城市结构附近)上方的风流动，这种投影并不成立。
[0013]为此，一些实施方式基于这样的目标：考虑速度在垂直方向上的变化(即，垂直变化)。一些实施方式基于这样的认识：垂直速度的水平导数可用作对所测量的径向速度的水平投影的校正，以考虑垂直变化。在这些实施方式中，首先，通过对风流动的速度场进行仿真以拟合径向速度102的测量来确定垂直速度。通过考虑仿真的径向速度与测量的径向速度的“接近度”的这种仿真被称为数据同化。在一些实施方式中，数据同化使用计算流体动力学(CFD)来实现。一些实施方式基于这样的认识：水平速度和垂直速度二者均可使用仿真的速度场来确定。此外，来自速度场的垂直速度用于估计对应水平导数。随后，应用水平导数作为对所测量的径向速度的水平投影的校正。作为该校正的结果，水平速度估计的准确性改进。
[0014]然而，在CFD仿真中，诸如边界或大气条件的操作参数是未知的，并且这些操作参数被迭代地确定，直至操作参数得到所测量的径向速度。结果，利用CFD执行数据同化非常耗时。此外，由于CFD仿真是基于纳维
‑
斯托克斯(Navier
–
Stokes)方程的解的优化过程，所以利用CFD的数据同化是繁琐的。此外，对于复杂地形上方的风流动，CFD仿真变得复杂。
[0015]为此，一些实施方式基于利用凸形(例如，圆柱体)表示或近似复杂地形。在一些实施方式中，复杂地形利用等效圆柱体来近似。在一些其它实施方式中，地形利用多个凸形来近似。这种表示简化了速度场的仿真。此外，这种圆柱体周围的风流动利用位势流动来近似。位势流动涉及拉普拉斯方程的代数解，而非纳维
‑
斯托克斯方程的迭代优化，从而增加了计算效率。另外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种风流动感测系统，该风流动感测系统用于从各个海拔处的径向速度的一组测量确定具有复杂形状的地形上方的一组不同海拔处的风流动，该风流动感测系统包括：输入接口，该输入接口被配置为针对各个海拔接收所述地形上方的现场线点处的径向速度的所述一组测量；处理器，该处理器被配置为基于利用一组一个或多个凸形对所述地形的形状的近似上方的速度场的数据同化以拟合径向速度的测量来估计各个海拔的所述速度场，并且将各个海拔处的水平速度估计为利用所估计的速度场的垂直速度的对应水平导数校正的对应径向速度的水平投影；以及输出接口，该输出接口被配置为渲染各个海拔处的估计的水平速度。2.根据权利要求1所述的风流动感测系统，其中，一组凸形包括不同直径的至少两个圆柱体。3.根据权利要求1所述的风流动感测系统，其中，所述数据同化在由入口速度场的值和一组凸形中的凸形的尺寸定义的边界条件的组合上执行多变量搜索。4.根据权利要求3所述的风流动感测系统，其中，所述凸形是圆柱体，并且所述多变量搜索确定所述入口速度场的值和所述凸形的半径，从而根据所述风流动的动力学得到所述径向速度的测量。5.根据权利要求4所述的风流动感测系统，其中，所述数据同化通过求解多个拉普拉斯方程来执行，并且其中，各个所述拉普拉斯方程针对所述入口速度场的特定值和所述凸形的半径定义所述风流动的动力学。6.根据权利要求1所述的风流动感测系统，其中，所述处理器被配置为通过将映射函数应用于通过所述数据同化确定的所述速度场来估计所述速度场。7.根据权利要求6所述的风流动感测系统，其中，所述映射函数是神经网络，该神经网络被训练为使针对所述非凸地形及其利用凸形的近似确定的速度场之间的差异最小化。8.根据权利要求1所述的风流动感测系统，其中，所述径向速度的测量由基于地面的激光雷达在锥体上测量，使得对于各个海拔，所述锥体上的测量是圆上的测量，所述圆上的测量包括在所述圆的圆周上的不同现场线点处测量的不同角方向上的所述径向速度的多个测量以及在所述圆的中心处测量的垂直方向上的所述径向速度的一个测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：