CN117233794A - 一种基于激光雷达的低空风切变监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光雷达的低空风切变监测方法及系统，方法包括以下步骤：利用激光测风雷达低仰角PPI扫描大气，获得以激光雷达为中心的径向风速；基于径向风速，在八邻域系统中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变；基于径向切变、切向切变和斜向切变，通过切变合成得到合成切变值；基于切变值，绘制切变等值线图，获得区域极值中心；根据阈值，判别区域极值中心是否出现风切变及风切变强度。本发明利用激光测风雷达低仰角PPI扫描得到的径向风速，通过切变合成，根据阈值判别出区域风切变的中心位置、强度及其分布范围，在科学识别风切变、防范风切变和研究风切变机理等方面具有重要价值。

Description

一种基于激光雷达的低空风切变监测方法及系统

技术领域

本发明属于机场气象服务保障领域，尤其涉及一种基于激光雷达的低空风切变监测方法及系统。

背景技术

风场是影响飞机起降安全的重要因素之一，但大气中的风极不稳定，在大气湍流和波动等共同作用下，存在明显的阵性；且当锋面、强对流、晴空湍流等出现时，风在水平方向和垂直方向上会发生短距离突变，即出现航空气象学中的“风切变”现象。当风切变高度为500m以下时，称为“低空风切变”。风切变会影响飞机的升力，造成飞机急剧抬升或下沉，甚至造成坠机事故，严重影响飞行安全。在飞机起降过程中，当发生低空风切变时，对飞机的动力性能要求更高，且留给飞行员的反应时间更短，极易造成飞行事故，因此低空风切变被称为航空界的“飞机杀手”。对低空风切变进行准确监测，是航空气象学中一直关注的问题。

风切变的监测手段，目前对于干性风场观测最有优势的是激光测风雷达，利用激光测风雷达进行PPI/RHI/SP/DBS扫描等方式获取风场信息，进而应用风切变识别算法判断是否有风切变，以及风切变的强度等级和位置，为飞行起降提供技术支持。

基于不同的扫描方式，均发展了不同的风切变检测算法。如：基于SP扫描，发展了斜坡检测算法、S因子算法、F因子/组合F因子算法等；基于PPI扫描，发展了最小二乘拟合算法和八领域算法。由于风切变的成因和类型众多，发展演变过程差异较大，各种算法检测均有优势也有劣势。如，SP扫描风切变检测结果对于飞行安全最关注的下滑道进行观测和识别，针对性最强，但风切变发展演变是一个过程，PPI扫描和检测对于区域较大范围的风切变监测能力更好，还可以观测到其演变移动过程，对于飞行起降安全同样具有重要价值。

低空风切变的本质是指风场中一定距离内风向、风速的变化。激光测风雷达扫描风速是大气风场在雷达扫描径向方向上的分量，风速数据在径向上和切向上都会存在一定的变化，那么就可以根据雷达PPI扫描数据计算出雷达扫描径向和切向上的切变值，再将切变值进行合成，就可以得出合成切变产品。计算切变值有两种方式，一种是直接计算差值算法，这种方法直接计算两点间风速的差值与距离的比值，得到切变值，计算结果易受到数据随机噪声的影响。另一种方法是利用最小二乘拟合算法计算切变值，这种方法最早是针对多普勒天气雷达提出的，有学者将其运用到激光测风雷达的风切变识别中，同样具有良好的识别结果。除最小二乘拟合算法外，还有一种八邻域算法。有学者将该算法应用于多普勒天气雷达的风切变检测，其原理与最小二乘拟合算法基本类似，都是检测一定距离内的风速变化，但检测时采用的是直接差值算法，共检测了四组相对方位上的风切变值。

激光测风雷达PPI扫描方式下的最小二乘拟合算法和八邻域算法虽能对风切变进行有效识别，但这两种算法各有缺点。八邻域算法检测时考虑了更多方向上的切变值，不易造成风切变的遗漏，但是检测时通过直接差值的方法得到切变值，可能会因噪声或个别异常数据影响到最终的风切变识别结果；最小二乘拟合算法通过拟合得出风速变化梯度，有效减小了异常数据的影响，但仅考虑了径向和切向上的切变，对于强度较小的风切变可能会造成遗漏。因此，综合这两种算法的优势，设计了区域辐散算法，对激光测风雷达PPI扫描数据周围四组相对方向分别采用最小二乘拟合的方式计算得出切变值，利用这四个风切变计算结果得到合成切变。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于激光雷达的低空风切变监测方法及系统，利用激光测风雷达低仰角PPI扫描得到的径向风速，通过切变合成，根据阈值判别区域风切变的中心位置、强度及其分布范围。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于激光雷达的低空风切变监测方法，包括以下步骤：

利用激光测风雷达低仰角PPI扫描大气，获得以激光雷达为中心的径向风速；

基于所述径向风速，在八邻域系统中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变；

基于所述径向切变、所述切向切变和所述斜向切变，通过切变合成得到合成切变值；

基于所述合成切变值，绘制切变等值线图，获得区域极值中心；

根据阈值，判别所述区域极值中心是否出现风切变及风切变强度，进行风切变告警。

优选的，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变的方法包括：

其中，C_Rs和C_As分别是径向切变和切向切变，b_R和b_A分别对应径向和切向上的拟合直线斜率；C_Os1和C_Os2分别表示两个切向上的斜向切变，b_O1和b_O2分别对应两个斜向上的拟合直线斜率，Δr为两测风数据点之间的距离，L_R表示雷达数据的库长，Δv表示用于计算切变值的两点在实际风场中的风速差，ΔR表示用于计算切变值的两点在实际风场中代表的距离。

优选的，基于所述径向切变、所述切向切变和所述斜向切变，通过切变合成得到合成切变值的方法包括：

优选的，根据阈值，判别所述区域极值中心是否出现风切变及风切变的强度，进行风切变告警的方法包括：

根据多个连续时间序列的激光测风雷达低仰角PPI扫描处理后的切变区域极值及合成切变强度分布，分析区域极值移动规律和强度变化，获得与下滑道、跑道、航道的关系；

基于所述与下滑道、跑道、航道的关系，利用WMO或ICAO标准给出的阈值，判断各个区域的风切变等级，当达到强烈等级时，进行风切变告警。

本发明还提供了一种基于激光雷达的低空风切变监测系统，包括：扫描模块、计算模块、合成模块、绘制模块和判断模块；

所述扫描模块用于利用激光测风雷达低仰角PPI扫描大气，获得以激光雷达为中心的径向风速，

所述计算模块用于基于所述径向风速，在八邻域系统中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变；

所述合成模块用于基于所述径向切变、所述切向切变和所述斜向切变，通过切变合成得到合成切变值；

所述绘制模块用于基于所述合成切变值，绘制切变等值线图，获得区域极值中心；

所述判断模块用于根据阈值，判别所述区域极值中心是否出现风切变及风切变强度，进行风切变告警。

优选的，所述计算模块中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变的过程包括：

其中，C_Rs和C_As分别是径向切变和切向切变，b_R和b_A分别对应径向和切向上的拟合直线斜率；C_Os1和C_Os2分别表示两个切向上的斜向切变，b_O1和b_O2分别对应两个斜向上的拟合直线斜率，Δr为两测风数据点之间的距离，L_R表示雷达数据的库长，Δv表示用于计算切变值的两点在实际风场中的风速差，ΔR表示用于计算切变值的两点在实际风场中代表的距离。

优选的，所述合成模块中，基于所述径向切变、所述切向切变和所述斜向切变，通过切变合成得到合成切变值的过程包括：

优选的，所述判断模块中，根据阈值，判别所述区域极值中心是否出现风切变及风切变的强度，进行风切变告警的过程包括：

根据多个连续时间序列的激光测风雷达低仰角PPI扫描处理后的切变区域极值及合成切变强度分布，分析区域极值移动规律和强度变化，获得与下滑道、跑道、航道的关系；

基于所述与下滑道、跑道、航道的关系，利用WMO或ICAO标准给出的阈值，判断各个区域的风切变等级，当达到强烈等级时，进行风切变告警。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明提出了一种基于激光测风雷达PPI扫描数据进行区域风切变识别的方法，对于利用连续观测的激光测风雷达PPI扫描序列，判别风切变的中心区域和演变过程具有重要意义，为科学识别风切变、防范风切变和研究风切变机理具有重要价值。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例中一种基于激光雷达的低空风切变监测方法流程示意图；

图2是本发明实施例中激光测风雷达PPI扫描下斜向切变示意图；

图3是本发明实例中激光测风雷达PPI扫描下风切变数据处理流程；

图4是本发明实例中激光测风雷达PPI扫描序列数据风切变告警示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种基于激光雷达的低空风切变监测方法，包括以下步骤：

利用激光测风雷达低仰角PPI扫描大气，获得以激光雷达为中心的径向风速；

基于径向风速，在八邻域系统中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变；其中，通过遍历距离库建立八邻域系统；

基于径向切变、切向切变和斜向切变，通过切变合成得到合成切变值；

基于合成切变值，绘制切变等值线图，获得区域极值中心；

根据阈值，判别区域极值中心是否出现风切变及风切变强度，进行风切变告警。

在本实施例中，本发明综合最小二乘拟合算法和八邻域算法两种算法的优势，设计了区域辐散算法，对激光测风雷达PPI扫描数据周围四组相对方向分别采用最小二乘拟合的方式计算得出切变值，利用这四个风切变计算结果得到合成切变。

如图2、图3所示，激光测风雷达PPI扫描数据中的任一点A，其周围均有8个数据点，构成一个八邻域系统，图2中Δr为两测风数据点之间的距离，L_R表示雷达数据的库长，Δv表示用于计算切变值的两点在实际风场中的风速差，ΔR表示用于计算切变值的两点在实际风场中代表的距离。算法选择3×3的拟合窗口，对每个窗口中心点处的切变值进行计算。径向切变和切向切变由前文提到的最小二乘拟合算法求出，下面对斜向切变计算过程进行介绍。

在三角形OBC中，由余弦公式可知，边长OB、BC、OC与夹角θ之间的关系为：

BC²＝OC²+OB²-2*OC*OB*cos(θ) (1)

实验中使用的雷达PPI扫描时每3°一条激光光束，即θ＝6°，cos(θ)≈1，因此可得，

BC²≈(OC-OB)² (2)

即，BC≈OC-OB＝OC-OD＝DC (3)

由于拟合窗口中激光光束夹角很小，窗口的斜边长度近似于径向长度，因此斜向切变可按照径向切变的拟合方法求出。令A、B、C三点对应的风速与到雷达中心的距离分别为(v_A,r_A)、(v_B,r_B)、(v_C,r_C)，则拟合直线的斜率为，

因此，可以求出BC方向斜向切变值为：

DE方向的斜向切变可根据相同原理求出，结合提到的径向切变和切向切变的推导过程，可以得到八邻域系统中四个方向上的切变值如下，

其中，C_Rs和C_As分别是径向切变和切向切变，b_R和b_A分别对应径向和切向上的拟合直线斜率；C_Os1和C_Os2分别表示两个切向上的斜向切变，b_O1和b_O2分别对应两个斜向上的拟合直线斜率，Δr为两测风数据点之间的距离，L_R表示雷达数据的库长，Δv表示用于计算切变值的两点在实际风场中的风速差，ΔR表示用于计算切变值的两点在实际风场中代表的距离。

在本实施例中，合成切变计算方法如下式。由于检测窗口内两个斜向与径向的夹角很小，均可视为径向上的切变值，因此可将这三个方向上的切变值取均值作为径向切变结果。然后将平均径向切变与切向切变进行矢量合成，即可得到中心点处的合成切变值。

在本实施例中，如图4所示，根据阈值，判别区域极值中心是否出现风切变及风切变的强度，进行风切变告警的方法包括：

根据多个连续时间序列的激光测风雷达低仰角PPI扫描处理后的切变区域极值及合成切变强度分布，分析区域极值移动规律和强度变化，获得与下滑道、跑道、航道的关系；

基于与下滑道、跑道、航道的关系，在得到每个距离库的合成切变强度后，利用WMO或ICAO标准给出的阈值，判断各个区域的风切变等级，当达到强烈等级时，进行风切变告警。

具体的，利用每个距离库的合成切变强度，可以绘制区域切变强度等值线图，得到中心极值点位置及其区域。利用连续观测的PPI数据序列，可得到风切变中心的位置和强度变化过程，得到其演变过程，可根据其移动方向和速度以及下滑道的位置关系，对下滑道飞行起降提前预警。

实施例二

本发明还提供了一种基于激光雷达的低空风切变监测系统，包括：扫描模块、计算模块、合成模块、绘制模块和判断模块；

扫描模块用于利用激光测风雷达低仰角PPI扫描大气，获得以激光雷达为中心的径向风速，

计算模块用于基于径向风速，在八邻域系统中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变；

合成模块用于基于径向切变、切向切变和斜向切变，通过切变合成得到合成切变值；

绘制模块用于基于合成切变值，绘制切变等值线图，获得区域极值中心；

判断模块用于根据阈值，判别区域极值中心是否出现风切变及风切变强度，进行风切变告警。

在本实施例中，所述计算模块中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变的过程包括：

其中，C_Rs和C_As分别是径向切变和切向切变，b_R和b_A分别对应径向和切向上的拟合直线斜率；C_Os1和C_Os2分别表示两个切向上的斜向切变，b_O1和b_O2分别对应两个斜向上的拟合直线斜率，Δr为两测风数据点之间的距离，L_R表示雷达数据的库长，Δv表示用于计算切变值的两点在实际风场中的风速差，ΔR表示用于计算切变值的两点在实际风场中代表的距离。

在本实施例中，所述合成模块中，基于径向切变、切向切变和斜向切变，通过切变合成得到合成切变值的过程包括：

在本实施例中，所述判断模块中，根据阈值，判别区域极值中心是否出现风切变及风切变的强度，进行风切变告警的过程包括：

根据多个连续时间序列的激光测风雷达低仰角PPI扫描处理后的切变区域极值及合成切变强度分布，分析区域极值移动规律和强度变化，获得与下滑道、跑道、航道的关系；

基于所述与下滑道、跑道、航道的关系，利用WMO或ICAO标准给出的阈值，判断各个区域的风切变等级，当达到强烈等级时，进行风切变告警。

本发明涉及一种激光测风雷达PPI扫描下，利用低仰角PPI扫描得到的径向风速，通过切变合成，根据阈值判别区域风切变的中心位置、强度及其分布范围。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于激光雷达的低空风切变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用激光测风雷达低仰角PPI扫描大气，获得以激光雷达为中心的径向风速；

基于所述径向风速，在八邻域系统中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变；

基于所述径向切变、所述切向切变和所述斜向切变，通过切变合成得到合成切变值；

基于所述合成切变值，绘制切变等值线图，获得区域极值中心；

根据阈值，判别所述区域极值中心是否出现风切变及风切变强度，进行风切变告警。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的低空风切变监测方法，其特征在于，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变的方法包括：

其中，C_Rs和C_As分别是径向切变和切向切变，b_R和b_A分别对应径向和切向上的拟合直线斜率；C_Os1和C_Os2分别表示两个切向上的斜向切变，b_O1和b_O2分别对应两个斜向上的拟合直线斜率，Δr为两测风数据点之间的距离，L_R表示雷达数据的库长，Δv表示用于计算切变值的两点在实际风场中的风速差，ΔR表示用于计算切变值的两点在实际风场中代表的距离。

3.根据权利要求2所述的基于激光雷达的低空风切变监测方法，其特征在于，基于所述径向切变、所述切向切变和所述斜向切变，通过切变合成得到合成切变值的方法包括：

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的低空风切变监测方法，其特征在于，根据阈值，判别所述区域极值中心是否出现风切变及风切变的强度，进行风切变告警的方法包括：

根据多个连续时间序列的激光测风雷达低仰角PPI扫描处理后的切变区域极值及合成切变强度分布，分析区域极值移动规律和强度变化，获得与下滑道、跑道、航道的关系；

基于所述与下滑道、跑道、航道的关系，利用WMO或ICAO标准给出的阈值，判断各个区域的风切变等级，当达到强烈等级时，进行风切变告警。

5.一种基于激光雷达的低空风切变监测系统，其特征在于，包括：扫描模块、计算模块、合成模块、绘制模块和判断模块；

所述扫描模块用于利用激光测风雷达PPI扫描风场，获得径向风速，

所述计算模块用于基于所述径向风速，在八邻域系统中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变；

所述合成模块用于基于所述径向切变、所述切向切变和所述斜向切变，通过切变合成得到合成切变值；

所述绘制模块用于基于所述合成切变值，绘制切变等值线图，获得区域极值中心；

所述判断模块用于根据阈值，判别所述区域极值中心是否出现风切变及风切变强度，进行风切变告警。

6.根据权利要求5所述的基于激光雷达的低空风切变监测系统，其特征在于，所述计算模块中，采用最小二乘拟合算法分别计算出径向切变、切向切变和斜向切变的过程包括：

其中，C_Rs和C_As分别是径向切变和切向切变，b_R和b_A分别对应径向和切向上的拟合直线斜率；C_Os1和C_Os2分别表示两个切向上的斜向切变，b_O1和b_O2分别对应两个斜向上的拟合直线斜率，Δr为两测风数据点之间的距离，L_R表示雷达数据的库长，Δv表示用于计算切变值的两点在实际风场中的风速差，ΔR表示用于计算切变值的两点在实际风场中代表的距离。

7.根据权利要求6所述的基于激光雷达的低空风切变监测系统，其特征在于，所述合成模块中，基于所述径向切变、所述切向切变和所述斜向切变，通过切变合成得到合成切变值的过程包括：

8.根据权利要求5所述的基于激光雷达的低空风切变监测系统，其特征在于，所述判断模块中，根据阈值，判别所述区域极值中心是否出现风切变及风切变强度，进行风切变告警的过程包括：

根据多个激光测风雷达PPI扫描处理后的切变区域极值及合成切变强度分布，分析区域极值移动规律和强度变化，获得与下滑道、跑道、航道的关系；

基于所述与下滑道、跑道、航道的关系，利用WMO或ICAO标准给出的阈值，判断各个区域的风切变等级，当达到强烈等级时，进行风切变告警。