1.一种基于激光雷达的风切变和切变线识别方法,其特征在于,包括:
从目标区域雷达回波信号中提取单条径向风速数据;
从所述单条径向风速数据中识别所述径向中所有风切变斜坡,得到风切变斜坡集合;
根据风切变强度因子从所述风切变斜坡集合中筛选风切变强度因子值超过设定阈值的若干个风切变斜坡,并提取出风切变强度因子值较大的若干个风切变斜坡,得到较强风切变斜坡集合;
分别计算所述较强风切变斜坡集合中各个风切变斜坡的风切变总值,根据预设的风切变等级判据,评价所述较强风切变斜坡集合中各个风切变斜坡的等级,识别出强风切变等级的风切变斜坡;
从目标区域雷达回波信号中提取所有径向风速数据,重复执行上述步骤,得到整个目标区域中的显著风切变斜坡集合;
根据所述显著风切变斜坡集合中各个风切变斜坡切变点的位置坐标,对所有风切变斜坡切变点进行聚类分析,形成多个包含风切变斜坡切变点的簇,包括:(1)将所有风切变斜坡切变点的位置坐标转换成笛卡尔坐标;
(2)任选一个风切变斜坡切变点的笛卡尔坐标作为圆心,以预设的两个风切变斜坡切变点之间的最小距离为半径绘制圆形区域,在所述圆形区域内通过欧几里德距离公式遍历剩余的风切变斜坡切变点;
(3)判断每个剩余的风切变斜坡切变点是否落在当前圆形区域内,如果某个剩余的风切变斜坡切变点落在当前圆形区域内:当所述圆心和落在当前圆形区域内的风切变斜坡切变点之间的欧几里德距离小于等于预设的两个风切变斜坡切变点之间的最小距离时,将落在当前圆形区域内的风切变斜坡切变点和作为当前圆心的风切变斜坡切变点聚类为一簇;
(4)将所述圆心的位置坐标更新为落在所述圆形区域内的风切变斜坡切变点的位置坐标,以预设的两个风切变斜坡切变点之间的最小距离为半径绘制新的圆形区域,在所述新的圆形区域内通过欧几里德距离公式遍历剩余的风切变斜坡切变点,得到一个包含风切变斜坡切变点的簇,并记录所述包含风切变斜坡切变点的簇中风切变斜坡切变点总数,同时根据距离公式估计切变线的长度;
(5)判断风切变斜坡切变点的总数和切变线的估计长度是否满足拟合切变线条件:当风切变斜坡切变点的总数和切变线的估计长度不满足拟合切变线条件时,将所述包含风切变斜坡切变点的簇中的所有风切变斜坡切变点全部剔除,返回步骤(2)重新选择风切变斜坡切变点进行聚类分析;
(6) 剔除已经聚类的风切变斜坡切变点簇,基于当前未聚类的风切变斜坡切变点,重复步骤(2)‑步骤(5),直到所有风切变斜坡切变点都完成聚类,得到目标区域内多个包含风切变斜坡切变点的簇;
根据所述多个包含风切变斜坡切变点的簇,筛选出符合切变线条件的簇进行曲线拟合得到目标区域内的所有切变线,即当风切变斜坡切变点的总数和切变线的估计长度满足拟合切变线条件时,将所述包含风切变斜坡切变点的簇中的所有风切变斜坡切变点在笛卡尔坐标系中按方位角从小到大排序,根据多项式曲线进行拟合,得到一条切变线,从而得到目标区域内所有切变线。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的风切变和切变线识别方法,其特征在于,在从所述单条径向风速数据中识别所述径向中所有风切变斜坡之前,还包括,利用平滑公式对所述单条径向风速数据进行数据预处理,剔除无效数据和孤立数据。
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的风切变和切变线识别方法,其特征在于,从所述单条径向风速数据中识别所述径向中所有风切变斜坡,得到风切变斜坡集合,包括:循环改变风切变斜坡的检测长度,利用单斜坡公式计算在每个风切变斜坡检测长度下,各风切变斜坡起止点风速数据的速度差;
基于各风切变斜坡起止点风速数据的速度差,根据预设的风切变判定标准,识别出所述径向风速数据中所有满足条件的风切变斜坡;
记录所有满足条件的风切变斜坡的位置坐标,得到风切变斜坡集合。
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的风切变和切变线识别方法,其特征在于,根据风切变强度因子从所述风切变斜坡集合中筛选风切变强度因子值超过设定阈值的若干个风切变斜坡,并提取出风切变强度因子值较大的若干个风切变斜坡,得到较强风切变斜坡集合,包括:利用风切变强度因子评估所述风切变斜坡集合中每个风切变斜坡的强度,得到所有风切变斜坡的强度因子值;
预设一个或多个用于区分强风切变斜坡和弱风切变斜坡的阈值;
将所有风切变斜坡的强度因子值与所述阈值进行比较,提取出风切变强度因子值超过设定阈值的若干个风切变斜坡;
在所述风切变强度因子值超过设定阈值的若干个风切变斜坡中,提取出风切变强度因子值较大的若干个风切变斜坡,得到较强风切变斜坡集合。
5.根据权利要求1所述的基于激光雷达的风切变和切变线识别方法,其特征在于,所述风切变斜坡的风切变总值的计算方法包括:基于风切变斜坡采样点对应的风速、位置以及风切变斜坡长度,计算风切变斜坡的平均速度;
基于风切变斜坡采样点对应的风速、位置,计算风切变斜坡的风能总值;
基于风切变斜坡长度、所述风切变斜坡的平均速度和所述风切变斜坡的风能总值,计算风速梯度,并确定风速梯度的符号;
根据风速梯度以及风切变斜坡长度,计算得到风切变斜坡的风切变总值。
6.根据权利要求5所述的基于激光雷达的风切变和切变线识别方法,其特征在于,当风切变斜坡的风切变总值大于0时,表示风切变斜坡速度递增;当风切变斜坡的风切变总值小于0时,表示风切变斜坡速度递减。
7.根据权利要求1所述的基于激光雷达的风切变和切变线识别方法,其特征在于,所述显著风切变斜坡集合中各个风切变斜坡切变点的位置坐标的获取方法,包括:(1)根据风切变定义,在各个风切变斜坡风向或风速的不连续处,记录各个风切变斜坡中风向转变点的位置坐标作为风切变斜坡切变点的位置坐标,即从风切变斜坡的第一个采样点开始遍历,当 时, ,其中, 表示第 个采样点对应的风速, 表示第 个采样点对应的风速,表示风切变斜坡采样点的总数,表示第 个采样点对应的位置, 表示第 个采样点对应的位置, 表示风切变斜坡切变点与测风激光雷达之间的间距, , 表示第 个径向的风速数据, , 表示所有径向风速数据中的径向总数,表示单条径向数据中第 个风切变斜坡, ,表示单条径向风速数据中所筛选的强风切变等级的风切变斜坡总数;
(2)若风切变斜坡中的风向不改变则记录风切变斜坡起点的位置坐标作为风切变斜坡切变点的位置坐标,即风切变斜坡中不存在任一采样点使得 成立,则 ,其中,表示第1个采样点对应的位置;
(3)根据雷达回波数据,提取风切变斜坡切变点所对应的径向方位角信息,作为切变点的纵坐标 , 表示风切变斜坡切变点的方位角。
8.一种基于激光雷达的风切变及其切变线识别系统,其特征在于,包括风切变识别子系统和切变线识别子系统;
其中,所述风切变识别子系统,包括以下模块:
径向风速获取模块,用于从目标区域雷达回波信号中提取单条径向风速数据;
风切变斜坡识别模块,用于从所述单条径向风速数据中识别所述径向中所有风切变斜坡,得到风切变斜坡集合;
风切变斜坡筛选模块,用于根据风切变强度因子从所述风切变斜坡集合中筛选风切变强度因子值超过设定阈值的若干个风切变斜坡,并提取出风切变强度因子值较大的若干个的风切变斜坡,得到较强风切变斜坡集合;
风切变斜坡评价模块,用于分别计算所述较强风切变斜坡集合中各个风切变斜坡的风切变总值,根据预设的风切变等级判据,评价所述较强风切变斜坡集合中各个风切变斜坡的等级,识别出强风切变等级的风切变斜坡;
其中,所述切变线识别子系统,包括以下模块:
显著风切变斜坡集合获取模块,用于从目标区域雷达回波信号中提取所有径向风速数据,重复执行风切变识别子系统,得到整个目标区域中的显著风切变斜坡集合;
聚类分析模块,用于根据所述显著风切变斜坡集合中各个风切变斜坡切变点的位置坐标,对所有风切变斜坡切变点进行聚类分析,形成多个包含风切变斜坡切变点的簇,包括:(1)将所有风切变斜坡切变点的位置坐标转换成笛卡尔坐标;
(2)任选一个风切变斜坡切变点的笛卡尔坐标作为圆心,以预设的两个风切变斜坡切变点之间的最小距离为半径绘制圆形区域,在所述圆形区域内通过欧几里德距离公式遍历剩余的风切变斜坡切变点;
(3)判断每个剩余的风切变斜坡切变点是否落在当前圆形区域内,如果某个剩余的风切变斜坡切变点落在当前圆形区域内:当所述圆心和落在当前圆形区域内的风切变斜坡切变点之间的欧几里德距离小于等于预设的两个风切变斜坡切变点之间的最小距离时,将落在当前圆形区域内的风切变斜坡切变点和作为当前圆心的风切变斜坡切变点聚类为一簇;
(4)将所述圆心的位置坐标更新为落在所述圆形区域内的风切变斜坡切变点的位置坐标,以预设的两个风切变斜坡切变点之间的最小距离为半径绘制新的圆形区域,在所述新的圆形区域内通过欧几里德距离公式遍历剩余的风切变斜坡切变点,得到一个包含风切变斜坡切变点的簇,并记录所述包含风切变斜坡切变点的簇中风切变斜坡切变点总数,同时根据距离公式估计切变线的长度;
(5)判断风切变斜坡切变点的总数和切变线的估计长度是否满足拟合切变线条件:当风切变斜坡切变点的总数和切变线的估计长度不满足拟合切变线条件时,将所述包含风切变斜坡切变点的簇中的所有风切变斜坡切变点全部剔除,返回步骤(2)重新选择风切变斜坡切变点进行聚类分析;
(6)剔除已经聚类的风切变斜坡切变点簇,基于当前未聚类的风切变斜坡切变点,重复步骤(2)‑步骤(5),直到所有风切变斜坡切变点都完成聚类,得到目标区域内多个包含风切变斜坡切变点的簇;
切变线识别模块,用于根据所述多个包含风切变斜坡切变点的簇,筛选出符合切变线条件的簇进行曲线拟合得到目标区域内的所有切变线,即当风切变斜坡切变点的总数和切变线的估计长度满足拟合切变线条件时,将所述包含风切变斜坡切变点的簇中的所有风切变斜坡切变点在笛卡尔坐标系中按方位角从小到大排序,根据多项式曲线进行拟合,得到一条切变线,从而得到目标区域内所有切变线。