[发明专利]基于单多普勒激光雷达的非均匀风场风矢量的测量方法

说明书

基于单多普勒激光雷达的非均匀风场风矢量的测量方法，包括读取单多普勒激光雷达测得的径向风速数据，根据激光雷达仰角将其转化为径向水平风速，利用VAD方法对同一高度上的径向水平风速进行处理，获得每个距离库上的背景风速与风向，将所有距离库上的背景风速和风向合起来作为测量区域的背景风场风速及风向，根据背景风场风向与激光雷达扫描径向方向的夹角关系及背景风场风速求得每个空间点的切向风速，将切向风速与单多普勒激光雷达直接测量的径向风速进行合成得到风矢量，获取测量时刻非均匀风场的风矢量信息，该方法简便易行，克服了现有方法对非均匀风场的均匀性假设而导致无法真实反映非均匀风场信息的不足，提高了非均匀风场反演准确性。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种基于单多普勒激光雷达的非均匀风场风矢量的测量方法，该方法能够基于单多普勒激光雷达直接测得的径向风速数据与VAD算法，实现对非均匀风场风矢量的测量。

背景技术

多普勒激光雷达进行风速测量时，根据多普勒原理，表征风速的大气分子或气溶胶粒子的整体运动，会使后向散射激光的频率发生偏移，即多普勒频移。通过接收气溶胶粒子的后向散射信号与系统中的本振光进行拍频检测多普勒频移，通过分析多普勒频移推算出风速的径向分量，进而反演出风速、风向等信息，径向风速V_Los与多普勒频移f_D的关系可以表示为：f_D＝2V*cosγ/λ＝2V_Los/λ，其中，V是气溶胶粒子的运动速度，γ为激光出射方向和气溶胶粒子运动方向的夹角，V_Los为径向速度，λ为发射激光波长，f_D为多普勒频移。例如，当波长为1.55μm时，1MHz多普勒频移对应的径向风速约为0.78m/s。

原有的对非均匀风场风矢量的测量方法，都是对多普勒激光雷达直接测得的风速数据进行处理后得到，但由于单激光雷达测得的风速数据都是径向风速信息，与实际非均匀风场的风速信息并不完全一致，无法真实反映测量时刻的实际风场信息，因此需要求解非均匀风场的合风矢量来反映测量时刻实际的风速信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用单相干多普勒激光雷达测得的径向风速数据求解非均匀风场风矢量的方法，以克服现有方法的不足，更加真实反映测量时刻的实际风速。

本发明的风矢量求解方法的原理是：读取多普勒激光雷达测得的径向风速信息，根据激光出射角度与水平方向的夹角求得径向水平风速，对同一高度上的径向水平风速进行VAD处理求出背景风速以及风向，根据背景风向与雷达径向的夹角以及背景风速求得对应的切向风速信息，再将切向风速与原有的径向水平风速进行合成，即可求得风矢量。

基于单多普勒激光雷达的非均匀风场风矢量的测量方法，包括：

1)使用多普勒激光雷达采用PPI扫描模式对风场进行测量，获得测量区域每个空间点的径向风速数据；PPI扫描模式是指固定仰角、改变方位角的扫描方式，获得的数据反演结果是以雷达为中心的极坐标的形式；

2)读取由单多普勒激光雷达测量所得径向风速数据，根据雷达的激光出射方向与水平方向的夹角将其转换为径向水平风速；

其特征在于包括以下步骤：

3)读取风速信噪比数据，设置信噪比阈值为5，该阈值由观察信噪比数据得到，对水平径向风速数据进行初处理，将不满足阈值的水平径向风速数据设置为空值剔除，在接下来的数据处理过程中不对其进行处理；

4)选取同一高度同一距离库上的水平径向水平风速数据进行VAD(VelocityAzimuth Display速度方位显示法)处理，获得测量时刻该距离库上的风场垂直分布数据，对全部距离库的风速数据进行VAD处理后，所得的结果作为测量时刻的背景风场风速以及风向数据；该数据包括背景风场风速数据以及风向数据；

5)利用步骤4得到的背景风向数据与雷达径向的夹角，以及背景风场风速数据，计算得到测量区域每一个空间点对应的水平切向风速；