CN109283535B - 非均匀风场的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了非均匀风场的探测方法，涉及气象探测领域。该方法包括：获取风廓线雷达以M个不同的方位角对非均匀风场进行扫描测量，得到的对应的M个径向数据，M≥2；对M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算；根据拟合计算后的傅里叶展开式计算非均匀风场的风场参数。本发明提供的探测方法，通过多个方位角对非均匀风场进行扫描测量，并对得到的径向数据进行傅里叶拟合，实现了风廓线雷达对非均匀风场的探测，能够有效减少传统风廓线雷达处理方式对非均匀风场进行探测存在的误差。

Description

非均匀风场的探测方法

技术领域

本发明涉及气象探测领域，尤其涉及一种非均匀风场的探测方法。

背景技术

风廓线雷达是一种晴空探测设备，能够探测设备上方的风场，广泛应用于气象、环保、航空等领域。

然而，风廓线雷达是基于均匀一致性假设对风场进行探测，只能探测近似均匀的风场，如果对非均匀风场进行探测，会使探测到的风场参数产生较大误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种非均匀风场的探测方法及一种存储介质。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种非均匀风场的探测方法，包括：

获取风廓线雷达以M个不同的方位角对非均匀风场进行扫描测量，得到的对应的M个径向数据，M≥2；

对所述M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算；

根据拟合计算后的傅里叶展开式计算所述非均匀风场的风场参数。

本发明的有益效果是：本发明提供的探测方法，通过多个方位角对非均匀风场进行扫描测量，并对得到的径向数据进行傅里叶拟合，实现了风廓线雷达对非均匀风场的探测，能够有效减少传统风廓线雷达处理方式对非均匀风场进行探测存在的误差。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述技术方案所述的方法。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明一种非均匀风场的探测方法的实施例提供的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明一种非均匀风场的探测方法的实施例提供的流程示意图，该方法包括：

S1，获取风廓线雷达以M个不同的方位角对非均匀风场进行扫描测量，得到的对应的M个径向数据，M≥2。

应理解，为了获得多个方位角波束的径向数据，风廓线雷达应以固定的仰角进行扫描测量，仰角的大小可以根据实际需求设置。

而为了满足后续傅里叶分解的条件，M个不同的方位角需要扫描完一圈。

优选地，M个不同的方位角可以为固定间隔的方位角，例如，可以为0°、90°、180°、270°、360°，这样每个方位角之间的间隔都是90°，并且满足了扫描一圈的要求。

优选地，径向数据可以为径向速度。

应理解，风廓线雷达可能通过多个距离门对目标进行扫描测量，因此，上述的多个方位角的径向数据应为某个距离门的。

S2，对所述M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算。

应理解，可以为逐个距离门对所述M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算。

S3，根据拟合计算后的傅里叶展开式计算所述非均匀风场的风场参数。

应理解，通过对M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算并展开，得到的展开式中包含有风场分量的展开信息，因此，可以根据傅里叶级数的一阶谐波系数获取风场分量。

本实施例提供的探测方法，通过多个方位角对非均匀风场进行扫描测量，并对得到的径向数据进行傅里叶拟合，实现了风廓线雷达对非均匀风场的探测，能够有效减少传统风廓线雷达处理方式对非均匀风场进行探测存在的误差。

可选地，在一些实施例中，所述对所述M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算之前，还包括：

分别对所述M个径向数据进行去模糊处理、去奇点处理和平滑处理。

通过对M个径向数据进行预处理，可以使得数据更平滑，去除异常点，便于后续拟合处理。

可选地，在一些实施例中，对所述M个径向数据进行去模糊处理具体包括：

将第i个方位角的径向数据与相邻方位角的径向数据相减，若径向数据差值大于第一预设差值，则将所述第i个方位角的径向数据减去预设的最大不模糊速度；若径向数据差值小于第二预设值差值，则将所述第i个方位角的径向数据加上预设的最大不模糊速度，i＝1，2，…，M。

优选地，为防止出现经过去模糊后径向数据仍然偏大或偏小的情况，可以在将第i个方位角的径向数据减去或加上预设的最大不模糊速度后，重复对去模糊后的第i个方位角的径向数据继续进行判断，直到径向数据差值不大于第一预设差值且不小于第二预设差值，停止对第i个方位角的径向数据的去模糊处理。

应理解，第一预设差值、第二预设差值和最大不模糊速度都可以根据实际需求设置。

应理解，可以逐个距离门进行去模糊处理。

可选地，在一些实施例中，对所述M个径向数据进行去奇点处理具体包括：

计算第i个方位角的径向数据的均方根误差，若所述第i个方位角的径向数据的均方根误差不满足预设误差条件，则剔除所述第i个方位角的径向数据，i＝1，2，…，M。

应理解，预设误差条件可以根据实际需求设置，例如，如果数据点大于3倍的均方根误差，则认为是奇点，进行剔除。

应理解，可以逐个距离门进行去奇点处理。

可选地，在一些实施例中，对所述M个径向数据进行平滑处理具体包括：

对所述M个径向数据进行滑动平均。

应理解，可以逐个距离门进行平滑处理。

可选地，在一些实施例中，所述对所述M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算，具体包括：

计算所述M个径向数据对应的M个理论径向数据；

从一阶级数展开起，使用最小二乘法对所述M个径向数据和所述M个理论径向数据进行拟合。

例如，假设某个距离门不同方位角测得的径向速度为

对应理论上的径向速度为v_r(φ)，即：

其中，

表示某个距离门不同方位角测得的径向速度，m表示距离门，r表示径向速度，φ表示方位角，a₀、a_n、b_n为傅里叶系数，n＝1，2，3，…；

从低阶级数展开(一阶)计算起，使用最小二乘法进行拟合，即使得ε²最小，其中ε²为：

其中，R_N为距离门圈采样点数。

可选地，在一些实施例中，所述对所述M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算，还包括：

对拟合后得到的差值进行判断，若所述差值不满足预设差值条件，则提高拟合阶数，重新进行拟合，并当所述拟合阶数达到预设阶数时，停止拟合。

例如，可以对ε²进行判定，如果

满足门限参数要求，例如，可以设置为1.5m/s，可根据实际情况进行调整，则认为拟合满足要求，继续后续的参数计算，否则提高拟合阶数，重新进行拟合，计算差值并进行判定，依次循环。为了防止无限制拟合，对拟合阶数进行上限设置，这里设置为20阶。

可选地，在一些实施例中，所述根据拟合计算后的傅里叶展开式计算所述非均匀风场的风场参数，具体包括：

将所述M个不同的方位角进行拟合加密处理；

将拟合加密处理后的所述M个不同的方位角代入拟合计算后的傅里叶展开式中进行计算；

根据傅里叶级数的一阶谐波系数得到所述非均匀风场的风场参数。

例如，可以将方位角加密到1°，即无论探测方位角间隔多少，这里方位角值均为0°～360°，1°间隔，然后再代入拟合计算后的傅里叶展开式中进行计算。

可选地，在一些实施例中，根据以下公式计算所述非均匀风场的风场参数：

其中，u₀为风场参数的纬向分量，v₀为风场参数的径向分量，R为非均匀风场与探测设备之间的距离，θ为非均匀风场与探测设备之间的天顶角，

为一阶谐波系数，N为傅里叶展开的最高阶数谐波，D_i、E_i分别为不同的多项式，i＝1，2，…，M，M为方位角的数量。

下面以一个具体的例子进行说明。

各阶的傅里叶系数计算如下公式，可根据风廓线雷达测得的径向速度与方位角获取。

假设雷达以固定间隔扫描M个方位角，则可以得到：

其中，v_ri为第i个方位角测得径向速度，i＝1，2，3，…，M，φ_i为第i个方位角，i＝1，2，3，…，M，a₀、a_n、b_n为傅里叶系数，其中n＝1，2，3，…。

应理解，风廓线雷达必须扫完一圈，否则不满足傅里叶分解的条件，如果不满足一圈或是等间隔，可以使用最小二乘拟合的方式来计算，然后再计算傅里叶级数。

若是风场纬向分量u及径向分量v能够进行(N-1)阶泰勒展开，则N为傅里叶展开的最高阶数，可以得到傅里叶级数展开的前五个系数的表达式，即为：

其中，A_i、B_i、C_i分别代表不同的多项式，R为非均匀风场与探测设备之间的距离，θ为非均匀风场与探测设备之间的天顶角，N为傅里叶展开的最高阶数谐波，N不小于2，当N为奇数时，η＝(N-3)/2，当N为偶数时，η＝(N-2)/2。

那么，与风矢量相关的一阶谐波关系为：

其中，D_i、E_i分别代表不同的多项式，R为非均匀风场与探测设备之间的距离，θ为非均匀风场与探测设备之间的天顶角，N为傅里叶展开的最高阶数谐波，当N为奇数时，m＝(N-1)/2，当N为偶数时，m＝(N-2)/2。

当N＝1时，为均匀风场；N＝2时，为线性风场；N＞2时，为非线性风场，N越大，在含u、v分量的中的a₁、b₁中的未知量越多，即：

其中，u₀为风场参数的纬向分量，v₀为风场参数的径向分量，R为非均匀风场与探测设备之间的距离，θ为非均匀风场与探测设备之间的天顶角，

为一阶谐波系数，N为傅里叶展开的最高阶数谐波，D_i、E_i分别为不同的多项式，i＝1，2，…，M，M为方位角的数量。

可以通过获取临近距离门的数据来进行分析，然后解所获取到的方程组或是根据拟合方式得到合适的数值解。

结合上述各项公式，就能够进行风场参数u、v分量的计算，从而实现减少风场不均匀性对参数计算的影响。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部步骤。

在本发明的其他实施例中，还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述实施例中任一项所述的方法。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种非均匀风场的探测方法，其特征在于，包括：

获取风廓线雷达以M个不同的方位角对非均匀风场进行扫描测量，得到的对应的M个径向数据，M≥2；

对所述M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算；

根据拟合计算后的傅里叶展开式计算所述非均匀风场的风场参数；

所述对所述M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算，具体包括：

计算所述M个径向数据对应的M个理论径向数据；

从一阶级数展开起，使用最小二乘法对所述M个径向数据和所述M个理论径向数据进行拟合；

对拟合后得到的差值进行判断，若所述差值不满足预设差值条件，则提高拟合阶数，重新进行拟合，并当所述拟合阶数达到预设阶数时，停止拟合。

2.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述对所述M个径向数据使用傅里叶级数进行拟合计算之前，还包括：

分别对所述M个径向数据进行去模糊处理、去奇点处理和平滑处理。

3.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于，对所述M个径向数据进行去模糊处理具体包括：

将第i个方位角的径向数据与相邻方位角的径向数据相减，若径向数据差值大于第一预设差值，则将所述第i个方位角的径向数据减去预设的最大不模糊速度；若径向数据差值小于第二预设值差值，则将所述第i个方位角的径向数据加上预设的最大不模糊速度，i＝1，2，…，M。

4.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于，对所述M个径向数据进行去奇点处理具体包括：

计算第i个方位角的径向数据的均方根误差，若所述第i个方位角的径向数据的均方根误差不满足预设误差条件，则剔除所述第i个方位角的径向数据，i＝1，2，…，M。

5.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于，对所述M个径向数据进行平滑处理具体包括：

对所述M个径向数据进行滑动平均。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的探测方法，其特征在于，所述根据拟合计算后的傅里叶展开式计算所述非均匀风场的风场参数，具体包括：

将所述M个不同的方位角进行拟合加密处理；

将拟合加密处理后的所述M个不同的方位角代入拟合计算后的傅里叶展开式中进行计算；

根据傅里叶级数的一阶谐波系数得到所述非均匀风场的风场参数。

7.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，根据以下公式计算所述非均匀风场的风场参数：

其中，u₀为风场参数的纬向分量，v₀为风场参数的径向分量，R为非均匀风场与探测设备之间的距离，θ为非均匀风场与探测设备之间的天顶角，

为一阶谐波系数，N为傅里叶展开的最高阶数谐波，D_i、E_i分别为不同的多项式，i＝1，2，…，M，M为方位角的数量。

8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1至7中任一项所述的方法。

Images