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专利号: 2024117211056
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,包括:根据获取的大气风场的径向风速数据构建理想大气风场数据集;

根据所述理想大气风场数据集,基于不同的数据处理方法构建虚拟测风激光雷达,利用所述虚拟测风激光雷达生成虚拟测风激光雷达探测数据集并计算生成虚拟测风激光雷达探测数据集的时间;

根据误差评估指标对所述虚拟测风激光雷达探测数据集进行误差分析,确定不同理想风速波长和不同雷达距离分辨率下的风速误差分布以及不同理想风速波长和不同雷达距离分辨率的比例;

基于所述不同理想风速波长和不同雷达距离分辨率的比例以及所述不同理想风速波长和不同雷达距离分辨率下的风速误差分布,进行数据拟合得到基于不同的数据处理方法的误差拟合函数以及基准数据处理方法的误差拟合函数;

所述误差拟合函数用于描述所述误差评估指标与所述不同理想风速波长和不同雷达距离分辨率的比例之间的关系;

计算所述基于不同的数据处理方法的误差拟合函数与所述基准数据处理方法的误差拟合函数的实际偏离值;

根据所述生成虚拟测风激光雷达探测数据集的时间以及所述实际偏离值确定虚拟测风激光雷达的计算快捷性以及数据可靠性,根据所述计算快捷性以及数据可靠性确定生成虚拟测风激光雷达的最优数据处理方法,根据所述虚拟测风激光雷达的最优数据处理方法确定最终的虚拟测风激光雷达。

2.根据权利要求1所述的基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,所述大气风场的径向风速数据的获取方法,包括:根据大气风场的统计规律和傅里叶分析方法,将风模拟为由不同振幅和不同波长的正弦型风速叠加而成的波形;

根据所述波形,基于理想正弦风场模型获取大气风场的径向风速数据。

3.根据权利要求1所述的基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,根据所述理想大气风场数据集,基于不同的数据处理方法构建虚拟测风激光雷达,生成虚拟测风激光雷达探测数据集并计算生成虚拟测风激光雷达探测数据集的时间,包括:根据所述理想大气风场数据集,设定虚拟测风激光雷达的雷达距离分辨率;

根据所述雷达距离分辨率将虚拟测风激光雷达的最大探测距离划分为等间隔距离门,得到虚拟测风激光雷达每个距离门的径向位置;

利用不同的数据处理方法处理每个距离门的径向位置处的虚拟测风激光雷达探测风速值,生成虚拟测风激光雷达探测数据集并计算生成虚拟测风激光雷达探测数据集的时间。

4.根据权利要求3所述的基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,所述数据处理方法包括直接平均法,其中,利用直接平均法得到基于直接平均法生成的虚拟测风激光雷达探测数据集的方法,包括:基于理想大气风场数据集,分别计算每个距离门范围内理想风速值的算术平均,得到基于直接平均法生成的虚拟测风激光雷达探测数据集。

5.根据权利要求4所述的基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,利用直接平均法得到基于直接平均法生成的虚拟测风激光雷达探测数据集的方法,还包括:基于理想大气风场数据集,将理想大气风场中各个节点位置的风速值插值到虚拟测风激光雷达的各个探测点位置处,得到基于直接平均法生成的虚拟测风激光雷达探测数据集。

6.根据权利要求4或5所述的基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,所述数据处理方法还包括能量加权法,其中,利用能量加权法得到基于能量加权法生成的虚拟测风激光雷达探测数据集的方法,包括:根据所述雷达距离分辨率和发射激光脉冲时域半高全宽的关系,建立每个距离门径向位置处的激光雷达脉冲信号功率仿真模型,得到每个距离门径向位置处的激光雷达脉冲信号功率仿真结果;

根据每个距离门径向位置处的激光雷达脉冲信号功率仿真结果,计算每个距离门径向位置处的虚拟测风激光雷达探测风速值,得到基于能量加权法生成的虚拟测风激光雷达探测数据集。

7.根据权利要求6所述的基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,所述数据处理方法还包括时域分析法,其中,利用时域分析法得到基于时域分析法生成的虚拟测风激光雷达探测数据集的方法,包括:将所述虚拟测风激光雷达的最大探测距离按照大气最小分层距离进行分层,得到每一层回波信号;

将每一层回波信号叠加并按时序进行拼接,得到雷达探测范围内回波信号的时域模型;

分别对所述时域模型中的每个距离门范围内的外差电流进行快速傅里叶变换FFT,得到每个距离门对应的功率谱;

根据每个距离门对应的功率谱,利用多普勒频移公式计算每一个距离门的径向位置处的虚拟测风激光雷达探测风速值,得到基于时域分析法生成的虚拟测风激光雷达探测数据集。

8.根据权利要求1所述的基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,在生成虚拟测风激光雷达探测数据集之前,还包括,将虚拟测风激光雷达的各个探测点位置处的探测风速值插值到理想大气风场中各个节点位置上进行加密。

9.根据权利要求1所述的基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,基于所述不同理想风速波长和不同雷达距离分辨率的比例以及所述不同理想风速波长和不同雷达距离分辨率下的风速误差分布,进行数据拟合得到基于不同的数据处理方法的误差拟合函数以及基准数据处理方法的误差拟合函数,包括:基于直接平均法生成的均方根误差与理想风速波长和雷达距离分辨率的比例之间的拟合函数 ,表示为:       (1);

式中,RMSE表示根据均方根误差确定不同理想风速波长和不同雷达距离分辨率下的风速误差分布,γ表示理想风速波长和雷达距离分辨率的比例, 表示误差主导项对拟合函数 的贡献度系数, 表示误差主导项数 的增长速度, 表示误差调节项  对拟合函数 的贡献度系数, 表示误差调节项 的增长速度,其中, ,表示理想风速波长, 表示雷达距离分辨率;

基于能量加权法生成的均方根误差与理想风速波长和雷达距离分辨率的比例之间的拟合函数 ,表示为:       (2);

式中, 表示误差主导项  对拟合函数 的贡献度系数, 表示误差主导项 的增长速度, 表示误差调节项 对拟合函数 的贡献度系数, 表示误差调节项 的增长速度;

基于时域分析法生成的均方根误差与理想风速波长和雷达距离分辨率的比例之间的拟合函数 ,表示为:      (3);

式中, 表示误差主导项 对拟合函数 的贡献度系数, 表示误差主导项 的增长速度, 表示误差调节项 对拟合函数 的贡献度系数, 表示误差调节项 的增长速度。

10.根据权利要求9所述的基于误差分析的虚拟测风激光雷达生成方法,其特征在于,根据所述生成虚拟测风激光雷达探测数据集的时间以及所述实际偏离值确定虚拟测风激光雷达的计算快捷性以及数据可靠性,根据所述计算快捷性以及数据可靠性确定生成虚拟测风激光雷达的最优数据处理方法,根据所述虚拟测风激光雷达的最优数据处理方法确定最终的虚拟测风激光雷达,包括:预设误差拟合函数与基于时域分析法的误差拟合函数的最大偏离值为 ,将理想风速波长和雷达距离分辨率的比例表示为 ,将 包含的所有元素表示为集合 ;

将时域分析法作为基准数据处理方法:

根据所述最大偏离值 ,得到直接平均法在误差偏离范围内关于理想风速波长和雷达距离分辨率的比例的集合A以及能量加权法在误差偏离范围内关于理想风速波长和雷达距离分辨率的比例的集合B;

其中,集合A和集合B分别表示为:

(4);

(5);

式中, 表示基于直接平均法的误差拟合函数与所述基准数据处理方法的误差拟合函数的实际偏离值, 表示基于能量加权法的误差拟合函数与所述基准数据处理方法的误差拟合函数的实际偏离值;

当 时,使用直接平均法生成所述理想风速波长和雷达距离分辨率的比例下的虚拟测风激光雷达;

当 时,使用能量加权法生成所述理想风速波长和雷达距离分辨率的比例下的虚拟测风激光雷达;

当 时,使用时域分析法生成所述理想风速波长和雷达距离分辨率的比例下的虚拟测风激光雷达。