[发明专利]风流感测系统和用于确定风流的速度场的方法

说明书

风流感测系统通过利用减小误差的加权组合的成本函数的操作参数来模拟风流的计算流体动力学(CFD)，确定在每个海拔高度处的速度场的第一近似值；从速度场的第一近似值确定在每个海拔高度处的垂直速度的水平导数；以及使用每个海拔高度的速度场、径向速度的测量结果在三维轴上的投影、以及相应速度场的垂直速度的水平导数之间的几何关系，确定速度场的第二近似值。在CFD的成本函数中，每个误差对应于海拔高度之一，并且包括在相应海拔高度处在视线点处的测量速度与通过CFD针对相应海拔高度所模拟的在视线点处的模拟速度之间的差。加权组合中的至少一些误差具有不同权重。

技术领域

本发明一般涉及遥感，并且更具体地，涉及感测通过复杂地形的风的流动。

背景技术

测量大气或风的运动对于许多应用，尤其是在气象学中以及用于诸如机场和风电场之类的场所的监视和表征来说是重要的。测量气团在广泛海拔高度范围内或在与大体积相对应的区域中的位移通常很有用。这种大体积位移的感测用诸如杯型风速仪之类的风速仪来执行可能是不切实际的，并且需要能够进行远程测量的遥感仪器。这些仪器尤其包括雷达、激光雷达(LiDAR)和声雷达(SODAR)。雷达和激光雷达系统分别使用高频和光学频率范围内的电磁波。声雷达系统使用声波。

例如，用这种仪器测量气团的运动通常如下进行。该设备沿待测区域中的传输轴连续地或作为脉冲来传输一个或更多个波束(声波和/或电磁波)。沿着不同传输轴的传输可以是同时的或顺序的。波束在大气中特别是由于遇到异质性(气溶胶、颗粒、电磁波折射率的变化或声波声阻抗的变化)而受到散射效应。当它们散布在气团或运动颗粒中时，这些波束也会由于Doppler(多普勒)效应而发生频移。

背向散射波束由根据测量轴定向的一个或更多个接收器检测。这些接收器在沿其测量轴的方向上检测被大气散射的波。然后可以例如通过测量飞行时间的方法或通过干涉法测量相移的方法，来计算沿着检测器的测量轴发生散射的距离。气团或颗粒沿着测量轴的径向速度也可以通过利用Doppler效应测量波的频移来获得。该测得的径向速度对应于散射位置的速度矢量在检测器的测量轴上的投影。

遥感仪器，尤其是包括适于测量大气下层中的风的特征的激光雷达系统，通常是单静态类型的。这表示使用相同的光学器件或相同的天线(声学或电磁)来发送和接收信号。探测到的体积通常沿着其顶点位于仪器的光学元件或天线的高度的圆锥分布。沿着圆锥的仪器的每个脉冲束对颗粒沿着与传输轴重合的测量轴运动的径向速度进行测量。这样就获得了风的径向速度的测量值，其代表了风矢量在波束传播轴上的投影。

然后，基于风的径向速度的测量结果，计算所有感兴趣体积中的风矢量，即速度场。在现有装置中，通常使用纯几何模型实施此计算。这些模型的缺点在于它们基于有时是不太现实的假设，特别是在整个样本测量期间风的空间和时间均匀性。根据该假设，在给定的海拔高度下，仪器探测到的大气的每个点处，风向矢量是相同的。

使用风的空间和时间均匀性，一些方法可以通过求解描述了风矢量与其沿着由径向速度的测量结果组成的测量结果的轴的投影之间的几何关系的、具有三个未知数的至少三个方程式的系统，从在至少三个不同方向中在一个且相同的海拔高度处测量到的径向速度的至少三个测量值，来计算在给定海拔高度下的风矢量的分量。使用几何计算的方法的示例是“Velocity Azimuth Display(速度方位角显示)”(VAD)方法，例如参见美国专利No.4,735,503。但是，此方法基于在给定海拔高度下风的空间均匀性的相同假设。

当在基本上平坦的地形(具有很少起伏或没有起伏的地形，或离岸的地形)上实施测量时，使用重构风矢量的几何技术的、用于风测量的大气遥感仪器允许精确测量风的平均速度。例如，凭借激光雷达系统，在10分钟内平均的测量值所得到的相对误差相对于由校准的杯型风速仪组成的参考而言在2％以下。