基于激光雷达的机场风场特征探测方法、装置和设备制造方法及图纸

本申请涉及基于激光雷达的机场风场特征探测方法、装置和设备，方法包括步骤：根据设定的配置策略对部署在机场预定位置的激光雷达进行扫描策略配置；根据激光雷达进行体积扫描获取的多普勒径向速度信息，反演得到扫描体积内的三维风场；从三维风场中提取600米以下的风场数据，根据600米以下的风场数据计算得到相应的F因子数值；提取多普勒径向速度信息中35.3°高度角的径向风速数据，通过部分傅里叶分解算法计算得到不同高度上的湍流的动能强度；提取多普勒径向速度信息中各高度角的多普勒频谱数据，通过多普勒频谱方法计算得到风场各径向距离上的湍流耗散率。上述方案，达到了风场综合探测性能较强的效果。

【技术实现步骤摘要】
基于激光雷达的机场风场特征探测方法、装置和设备
本申请涉及航空气象保障
，特别是涉及一种基于激光雷达的机场风场特征探测方法、装置和设备。
技术介绍
低空风切变及湍流是国际上公认的严重影响飞行安全的风场现象。低空风切变通常是指近地面600米高度以下风矢量(风向、风速)在水平和(或)垂直距离上的变化；湍流是由空气急剧而不规则的流动引致，表现为风速的时间不规则性和空间的不均匀性，是由各种尺度的涡旋连续分布叠加而成。由于风切变和湍流具有强度大和难以预测等特性，严重危害飞机在起飞阶段和降落阶段的安全。目前，用于风切变和湍流探测技术主要包括测风仪、气象雷达、风廓线雷达以及激光雷达，其中激光雷达被认为晴空条件较优的风场探测系统。采用激光雷达对风切变和湍流探测的扫描策略有多种，主要包括PPI(PlanPositionIndicator，平面位置显示器)、RHI(RangeHeightIndicator，距离高度显示器)、DBS(DopplerBeamSwinging，多普勒波束摆动)、凝视、GPScan(GlidePathScan，滑动路径扫描)等方式。然而，在实现本专利技术过程中，专利技术人发现前述传统的激光雷达扫描策略仍存在着风场综合探测性能较差的技术问题。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种风场综合探测性能较强的基于激光雷达的机场风场特征探测方法、一种基于激光雷达的机场风场特征探测装置，一种计算机设备以及一种计算机可读存储介质。为了实现上述目的，本专利技术实施例采用以下技术方案：一方面，本专利技术实施例提供一种基于激光雷达的机场风场特征探测方法，包括步骤：根据设定的配置策略对部署在机场预定位置的激光雷达进行扫描策略配置；根据激光雷达进行体积扫描获取的多普勒径向速度信息，反演得到扫描体积内的三维风场；从三维风场中提取600米以下的风场数据，根据600米以下的风场数据计算得到相应的F因子数值；提取多普勒径向速度信息中35.3°高度角的径向风速数据，通过部分傅里叶分解算法计算得到不同高度上的湍流的动能强度；提取多普勒径向速度信息中各高度角的多普勒频谱数据，通过多普勒频谱方法计算得到风场各径向距离上的湍流耗散率。另一方面，还提供一种基于激光雷达的机场风场特征探测装置，包括：配置处理模块，用于根据设定的配置策略对部署在机场预定位置的激光雷达进行扫描策略配置；风场反演模块，用于根据激光雷达进行体积扫描获取的多普勒径向速度信息，反演得到扫描体积内的三维风场；因子计算模块，用于从三维风场中提取600米以下的风场数据，根据600米以下的风场数据计算得到相应的F因子数值；动能计算模块，用于提取多普勒径向速度信息中35.3°高度角的径向风速数据，通过部分傅里叶分解算法计算得到不同高度上的湍流的动能强度；湍流计算模块，用于提取多普勒径向速度信息中各高度角的多普勒频谱数据，通过多普勒频谱方法计算得到风场各径向距离上的湍流耗散率。又一方面，还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述基于激光雷达的机场风场特征探测方法的步骤。再一方面，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述基于激光雷达的机场风场特征探测方法的步骤。上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：上述基于激光雷达的机场风场特征探测方法、装置和设备，通过对部署至机场预定位置处的激光雷达按需要进行扫描策略配置后，由激光雷达进行体积扫描获取的径向速度反演扫描体积内的三维风场，然后提取600米以下风场数据用于计算相应的F因子数值，提取35.3°高度角的径向风速数据，通过部分傅里叶分解算法计算得到不同高度上的湍流的动能强度，最后提取各高度角的多普勒频谱数据，通过多普勒频谱方法计算得到风场各径向距离上的湍流耗散率。如此形成了晴空条件下的多用途的测风激光雷达体积扫描策略，可有效兼顾空间覆盖范围、时空分辨率及鲁棒性，既能实现对飞机下滑道区域的重点探测，也能实现对于近场湍流强度的准确感知，还可以对三维风场有准确的探测与反演，达到了风场综合探测性能较强的效果。附图说明图1为一个实施例中基于激光雷达的机场风场特征探测方法的流程示意图；图2为一个实施例中激光雷达的扫描策略示意图；图3为一个实施例中改进VPP风场反演算法分析单元的示意图；图4为一个实施例中飞机下滑道区域的示意图；图5为一个实施例中35.3°高度角扫描的示意图；图6为一个实施例中激光雷达的多普勒频谱的示意图；图7为一个实施例中基于激光雷达的机场风场特征探测装置的模块结构示意图。具体实施方式为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件，即也可以是间接连接到另一个元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。采用激光雷达对风切变和湍流探测的各种扫描策略中，PPI扫描方式是激光波束高度角固定，方位上作均匀扫描，基于该扫描方式，在同一高度的风场一致的假设下，可以通过傅里叶级数展开反演扫描区域的风廓线信息(包括风速和风向)；当高度角为35.3°时可以使用部分傅里叶分解算法快速获取湍流动能强度；同时可以通过径向速度方位结构函数反演湍流特征参数。RHI扫描方式是激光波束的方位角固定，高度角作上下均匀扫描。该扫描方式能准确探测多个高度角的径向风场信息，通常在垂直方向的速度变化较大时使用，如飞机尾流的探测。基于该方式，通过拟合径向速度结构函数与冯卡尔曼频谱计算湍流各类参数。但该方式探测覆盖范围较小，只能探测某一方位的风场信息，无法对三维风场进行感知。DBS扫描方式是激光波束在多个固定高度角和方位角的方向上作快速扫描，与PPI扫描方式类似，在同一高度的风场均匀的假设下，使用该扫描方式能够快速反演不同高度的风场廓线信息。基于该方式，通过建立径向脉动速度方程可以解算风速、风向及湍流动能强度等信息。但是该方法仅使用较少数量方位角上的测量信息，易受某些角度上测量误差的影响。凝视扫描方式是激光波束的高度角和方位角均固定的探测方式，基于该方式，通过多普勒频谱法和径向速度结构函数法计算了湍流耗散率，但由于该方式只能获取一个方向的径向速度，因此无法反演出三维风场结构，且探测范围较小，无法感知大范围风场。香港天文台Chan等人提出的GPScan扫描方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光雷达的机场风场特征探测方法，其特征在于，包括步骤：/n根据设定的配置策略对部署在机场预定位置的激光雷达进行扫描策略配置；/n根据所述激光雷达进行体积扫描获取的多普勒径向速度信息，反演得到扫描体积内的三维风场；/n从所述三维风场中提取600米以下的风场数据，根据所述600米以下的风场数据计算得到相应的F因子数值；/n提取所述多普勒径向速度信息中35.3°高度角的径向风速数据，通过部分傅里叶分解算法计算得到不同高度上的湍流的动能强度；/n提取所述多普勒径向速度信息中各高度角的多普勒频谱数据，通过多普勒频谱方法计算得到风场各径向距离上的湍流耗散率。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达的机场风场特征探测方法，其特征在于，包括步骤：
根据设定的配置策略对部署在机场预定位置的激光雷达进行扫描策略配置；
根据所述激光雷达进行体积扫描获取的多普勒径向速度信息，反演得到扫描体积内的三维风场；
从所述三维风场中提取600米以下的风场数据，根据所述600米以下的风场数据计算得到相应的F因子数值；
提取所述多普勒径向速度信息中35.3°高度角的径向风速数据，通过部分傅里叶分解算法计算得到不同高度上的湍流的动能强度；
提取所述多普勒径向速度信息中各高度角的多普勒频谱数据，通过多普勒频谱方法计算得到风场各径向距离上的湍流耗散率。


2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的机场风场特征探测方法，其特征在于，根据设定的配置策略对部署在机场预定位置的激光雷达进行扫描策略配置的步骤，包括：
确定所述激光雷达部署的所述机场预定位置；所述机场预定位置距离飞机跑道的垂直距离为100m至200m之间的任一距离值，所述激光雷达与飞机下滑道之间无障碍物遮挡；
以所述激光雷达为原点建立笛卡尔坐标系(x,y,z)和球坐标系(φ,θ,r)；其中，x表示水平面垂直所述飞机跑道方向上距所述激光雷达的距离，y表示平行所述飞机跑道方向上距所述激光雷达的距离，z表示垂直方向上距所述激光雷达的距离，φ表示高度角，θ表示方位角，r表示到所述激光雷达的径向距离；
设定所述激光雷达交替采用不同高度角PPI扫描的方式进行体积扫描；其中，不同高度角按照φ＝1,3,8,15,25,35.3,45,90进行配置。


3.根据权利要求2所述的基于激光雷达的机场风场特征探测方法，其特征在于，设定所述激光雷达交替采用不同高度角PPI扫描的方式进行体积扫描的步骤，包括：
设定所述激光雷达在每个高度角采用完整PPI扫描方式或扇区PPI扫描方式获得各高度角的所述多普勒径向速度信息；
设定所述激光雷达的旋转角速度和扫描扇区大小分别随关注的探测空间区域可调。


4.根据权利要求2或3所述的基于激光雷达的机场风场特征探测方法，其特征在于，根据所述激光雷达进行体积扫描获取的多普勒径向速度信息，反演得到扫描体积内的三维风场的步骤，包括：
在所述激光雷达的扫描空间中选取分析体积单元，确定所述分析体积单元内各点的反演速度；
其中，所述分析体积单元为高度角跨度为方位角跨度为且径向距离跨度为的连续区域，所述分析体积单元内所有速度相等；
其中，φl表示所述分析体积单元内中心点的高度角，θm表示所述分析体积单元内中心点的方位角，rn表示所述分析体积单元内中心点的径向距离，δφ、δθ和δr分别表示所述激光雷达的高度角、方位角和径向分辨率，I、J和K分别表示所述分析体积单元内的高度角、方位角和径向分辨单元的个数；
将任一点的所述反演速度转换至所述笛卡尔坐标系中，得到所述三维风场；所述三维风场为：



其中，u、v和w分别表示所述笛卡尔坐标系中x轴、y轴和z轴的速度分量，ulmn表示所述分析体积单元内中心点的径向速度，vlmn表示所述分析体积单元内中心点的水平切向速度，wlmn表示ulmn和vlmn所在平面法向的垂直速度。


5.根据权利要求1所述的基于激光雷达的机场风场特征探测方法，其特征在于，从所述三维风场中提取600米以下的风场数据，根据所述600米以下的风场数据计算得到相应的F因子数值的步骤，包括：
若所述激光雷达和飞机降落点之间的连线与飞机跑道的夹角小于30°，则飞机下滑道内的迎头风速为方位角上的3°高度角的径向速度；
根据所述三维...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健兵，周洁，高航，王雪松，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43