[发明专利]基于相干多普勒连续波激光雷达的风场反演方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于相干多普勒连续波激光雷达的风场反演方法及系统，涉及激光雷达技术领域。该方法基于相干多普勒激光技术和激光雷达实现LOS风速的准确测量，相比于脉冲激光雷达的DBS方式，本发明采用连续波激光雷达按VAD方式扫描，其连续的顺序扫描方式为数据的矫正和拟合提供了可行性基础。在反演过程中，本发明采用阻尼牛顿法对经坐标变换后的数据进行拟合得到三维风场，相比于现有技术中直接进行反演的方法，获得了更为准确的反演结果，提高了三维风场的反演能力和计算精度。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于相干多普勒连续波激光雷达的风场反演方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

相干多普勒激光技术是一种可信度较高的测风技术，其利用激光照射大气中的分子或气溶胶粒子，通过多普勒效应和激光与其回波的相干性进行外查探测，近似地认为探测到粒子的运动速度为径向风速。目前基于激光的工作方式大致分为脉冲激光类雷达和连续波激光雷达，脉冲激光雷达通过脉冲信号同反射脉冲信号相隔时间计算探测距离，通常使用多束激光按DBS(Doppler beam swinging)方式扫描，当激光雷达工作不处于静止状态时，因为缺少拟合优度信息导致难以衡量结果的可靠性，因此现有技术中多使用连续波激光实现测风技术。连续波激光雷达通过一束连续波激光按VAD(Velocity-azimuthdisplay)方式扫描，即使激光雷达不处于静止状态，因其连续的顺序扫描方式使得矫正与拟合成为可能。

发明人发现，传统方法如DBS法对大气三维矢量风场进行反演存在着以下缺点：

1.DBS法存在探测距离订正精度不高的问题。DBS法使用激光回波返回时间计算探测距离，当激光发射源存在摇摆时，DBS法根据单一激光束依照返回时间分段划定探测距离的做法不易于使用摇摆角度进行修正。如进行订正，也存在缺少连续高度变化的优度信息，多波叠加增强时也存在订正后高度精度不高的问题。

2.DBS法用于拟合的数学公式存在理论反演精度问题。DBS法使用最少3个固定方向的激光束进行反演，通常使用该体制的脉冲波激光雷达应用5个固定方向，受波束数量影响，DBS法的拟合公式不完全统一，且存在多方向矢量叠加出现的理论上的精度问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于相干多普勒连续波激光雷达的风场反演方法及系统，基于相干多普勒激光技术，使用VAD方式扫描测量的视线方向(line of sight，LOS)的风速风向，即发射激光出射方向上的风速风向，反演出实际大气三维矢量风场。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本公开第一方面提供了一种基于相干多普勒连续波激光雷达的风场反演方法，包括以下步骤：

获取激光回波的基础信息数据，并对数据质量进行初筛；

对初筛后的数据三维坐标化并由三维球坐标系向三位直角坐标系转化；

对同一探测高度的LOS风速使用阻尼牛顿法反演，获得该探测高度三维风场。

进一步的，以激光雷达完成一个完整的扫描周期作为一个反演周期，以激光雷达采样频率为LOS风速三维坐标化工作频率进行激光回波的基础信息采集。

进一步的，对数据质量进行初筛具体过程为：对激光回波的基础信息进行处理，由相干探测提供的信噪比信息作为判别依据，通过阈值控制剔除无效数据，完成数据筛选。

更进一步的，激光回波的基础信息包括：LOS风速、方位角、仰角、激光当前工作焦距及其对应的地理垂直高度。

更进一步的，将激光当前工作焦距作为激光测量距离，其对应的地理垂直高度作为激光探测高度，对激光测量距离、方位角和仰角进行三维球坐标系向三维直角坐标系转化。