CN115349054B 在复杂地形中通过激光雷达进行快速风流动测量的系统和方法 （三菱电机株式会社）

2022.09.26PCT/JP2021/0112842021.03.12WO2021/200248EN2021.10.07US2019293836A1,2019.09.26在复杂地形中通过激光雷达进行快速风流提供了一种用于确定地形上方一组不同海接收地形上方现场线点处的径向速度的一组测或多个凸形对所述地形的形状的近似上方的速度场的数据同化以拟合径向速度的测量来估计平速度估计为利用所估计的速度场的垂直速度的对应水平导数校正的对应径向速度的水平投接口被配置为渲染各个海拔处的估计的水平速2输入接口，该输入接口被配置为针对各个海拔接收所述地形上方的现处理器，该处理器被配置为基于利用一组一个或多个凸形对所述地形海拔处的水平速度估计为利用所估计的速度场的垂直速度的对应水平导数校正的对应径一组凸形中的凸形的尺寸定义的边界条件的组5.根据权利要求4所述的风流动感测系统，各个所述拉普拉斯方程针对所述入口速度应用于通过所述数据同化确定的所述速度场来络被训练为使针对非凸地形及其利用凸形的近似确定的速度场量包括在所述圆的圆周上的不同现场线点处测量的不同角方向上的所述径向速度的多个测量以及在所述圆的中心处测量的垂直方向上的所述径向12.一种风流动感测方法，该风流动感测方法用于从各个海拔处的径向速度的一组测针对各个海拔接收所述地形上方的现场线点处的径向速3基于利用一组一个或多个凸形对所述地形的形状的近似上方的速度场的数据同化以将各个海拔处的水平速度估计为利用所估计的速度场的垂直速度的对应水平导数校测量包括在所述圆的圆周上的不同现场线点处测量的不同角方向上的所述径向速度的多个测量以及在所述圆的中心处测量的垂直方向上的所述径向速4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超频和光频范围内的电磁波。声雷达系统使用声发送一个或更多个波束(声波和/或电磁波)。测量方法。还可通过测量波因多普勒效应的频移来获得气团或颗粒沿着测量轴的径向速[0004]特别是，适合于测量大气下层中的风的特性的激光雷达系统常常为单基地类5使用几何技术来重构风向量的用于风测量的遥感仪器允许准确测量风的平均速度。例如，[0008]因此，实现几何模型的仪器不允许在复杂地形上风的水平和/或垂直速度和方向[0009]一些方法使用多个不同的数值模型以及优化技术来匹配激光雷达所测量的径向[0011]一些实施方式的目的在于提供一种从各个海拔处的径向速度的一组测量确定具有复杂形状的地形上方的一组不同海拔处的风流动的风流动感测系统和风流动感测方法。真以拟合径向速度的测量来确定垂直速度。通过考虑仿真的径向速度与测量的径向速度的 为对所测量的径向速度的水平投影的校正。作为该校正的结果，水平速度估计的准确性改进。6中，通过均匀流动和双峰流动的组合获得与圆柱体周围的流体流动的模型对应的组合流7有非凸形的地形上方一组不同海拔处的风流动的风流动感测系统，该风流动感测系统包[0025][图1]图1示出一些实施方式用于进行复杂地形中的快速风流动测量的原理的示[0027][图3A]图3A示出根据一些实施方式的被配置为测量风流动的径向速度的示例性[0028][图3B]图3B示出一些实施方式沿着锥体的表面并沿着锥体的中心线在特定海拔[0030][图4]图4示出一些实施方式用来估计风流动的速度场的风流动的示例性参数的[0031][图5A]图5A示出根据一些实施方式的用于分解风流动的计算流体动力学(CFD)框[0033][图6A]图6A示出根据一个实施方式的用于获得垂直速度的水平梯度的基于CFD仿[0038][图10]图10示出一个实施方式用来以迭代方式确定操作参数和CFD仿真的结果的8[0039][图11]图11示出根据一些实施方式的与风流动感测有关的单个平面上的各种数[0045][图17A]图17A示出根据一些实施方式的均匀流动与双峰流动的组合以确定圆柱[0046][图17B]图17B示出根据实施方式的用于获得双峰流动的等强度Λ的源流动和汇[0049][图20]图20示出根据一些实施方式的从拉普拉斯叠加构造和评估包括LOS测量和[0050][图21]图21示出根据一些实施方式的用于确定圆柱体半径和上游速度的DAL的实[0052][图23A]图23A共同示出一些实施方式用来进行复杂地形中的风流动湍流测量的[0053][图23B]图23B共同示出一些实施方式用来进行复杂地形中的风流动湍流测量的[0055][图24B]图24B示出根据一些实施方式的基于与杯式风速计数据的比较来计算自[0056][图24C]图24C示出根据一些实施方式的基于与高保真CFD仿真的比较来计算相关v和ρw的值的示意图。[0057][图25]图25示出根据一些实施方式的用于确定风流动湍流的风流动感测系统的[0058][图26]图26示出包括与采用一些实施方式的原理的系统通信的控制器的风力涡“包含”及其其它动词形式在结合一个或更多个组件或其它项目的列表使用时各自应被解9[0061]图1示出一些实施方式用于进行复杂地形中的快速风流动测量的原理的示意性概真以寻找拟合径向速度102的测量的速度场的数据同化来确定垂直速度。通过考虑仿真的动感测系统200包括输入接口202，输入接口202针对各个海拔接收现场线方向上的径向速216将风流动感测系统200与被配置为测量风流动的径向速度的遥感仪器连接。通过网络[0069]风流动感测系统200包括被配置为执行所存储的指令的处理器204以及存储可由何其它合适的存储器系统。处理器204通过总线212连接到一个或更多个输入和输出接口[0070]根据一些实施方式，存储在存储器206中的指令实现一种用于从各个海拔处的径来估计各个海拔处的速度场。存储装置236还存储被配置为确定减小成本函数的操作参数值的CFD操作参数模块210以及被配置为从速度场确定垂直速度的水平导数的水平导数模向速度的测量来确定包括水平速度的速度场。此外，存储装置236存储拉普拉斯仿真模块普拉斯仿真模块240被配置为求解多个拉普拉斯方程，这些方程定义入口速度场和凸形半[0071]风流动感测系统200包括输出接口224以渲染各个海拔处的[0072]图3A示出根据一些实施方式的被配置为测量风流动的径向速度的示例性遥感仪[0074]遥感仪器通过描述气流的速度场来确定流体(例如，空气)在感兴趣体积中的流所述目标之间污染物的存在而被散射的返回信号306。沿着由可能的瞄准方向形成的锥体表面308发送激光。从由于特定空气污染物所引起的多普勒效应而导致的频移推导感兴趣[0075]图3B示出沿着锥体308的表面和沿着锥体312的中心线在特定海拔处一些实施方测量执行任意3D速度场的精确重构。沿着一个波束的径向速度314显示速度向量316的投[0081]图3C示出一些实施方式所使用的复杂地形330上方的风的遥感的示意图。布置在场线点处测量的不同角方向上的径向速度的多个测量以及在圆心处测量的垂直方向上的用几何关系并假设在各个平面上风速均匀来从径向速度vR的测量确定水平速度vh的估计。lL)是基于均匀假设的风流动的估计速度。[0086]图4示出一些实施方式用来估计风流动的速度场的风流动的示例性参数的示意坡直至点402处的山顶的垂直速度的增大以及从点404经由山丘的另一斜坡的垂直速度的匀速度假设导致所感测的速度场的误差的领头项。[0091]流动的不可压缩性是指在流体团(以流速移动的无穷小体积)内材料密度恒定的压缩性条件没有校正均匀流动假设所导致的领[0092]计算流体动力学(CFD)是流体力学的分支，其使用数值分析和数据结构来求解和是CFD近似对于给定海拔处的垂直速度重构的水平导数的平均可足够准确，其继而可用于[0094]图5A示出一些实施方式用来分解风流动的计算流体动力学(CFD)框架的框图，目的是获得感兴趣的各个海拔处垂直速度的水平梯度的准确度量。使用视线测量500，通过为此，一些实施方式确定使估计的径向速度与测量的径向速度之间的差减小的操作参数。[0095]尽管通过CFD提供的第一近似的速度场对于所需目的而言不准确，但是可以所需并且针对对应海拔使用垂直速度的水平导数去除各个海拔的有偏速度场的均匀速[0097]例如，方程3a和/或3b用于通[0098]图6A示出一些实施方式用来获得垂直速度的水平梯度608的基于CFD仿真的框架[0101]一些实施方式通过利用操作参数的当前值求解606定义风流动的纳维一斯托克斯的仿真。纳维斯托克斯方程的离散化是重新表述方程，使得它们可应用于计算流体动力[0104]v.v=0方程4b3]2式基于垂直速度的水平导数(HDVV)对操作参数值的变化的灵敏度702来选择706操作参数μ[0121]图8示出根据一些实施方式的用于确定操作参数的当前值的方法的流程图。具体度的水平导数根据海拔对速度场具有不同的影响。为此，成本函数806包括误差的加权组[0123]图9示出根据一些实施方式的向成本函数中的不同项指派不同权重的处理。在一着不同波束的视线的激光雷达数据(来自激光雷达测量的视线速度)900的匹配程度的数。真计算的径向速度，wi是加权因子。各个项中的误差与测量和CFD之间的径向速度差成比径向速度的集合，以生成使方程(6)中给出的误差加权组合的成本函数减小的速度场的第拔通过CFD仿真的现场线点处的仿真速度之间的差。误差加权组合中的各个误差的权重是操作参数的未知值。该框架通过使估计视线数据中的误差及其前向CFD仿真与可用激光雷达测量之间的梯度的成本函数最小化，然后以迭代方式对于任何操作参数ξi的灵敏度可被表示为[0131]图10示出一个实施方式用来以迭代方式确定操作参数和CFD仿真的结果的DAL的实现的示意图。该实施方式通过评估CFD仿真来估计操作参数的最可能值。DAL是以迭代1014方式求解CFD方程1002和伴随(或灵敏度)方程1004以获得成本函数在操作参数的当前估计相对于未知操作参数的灵敏度1006的优化方法。DAL利用操作参数的猜测或初始估计对于先前迭代的变化低于阈值，则DAL方法被视为收敛的1010。通过表述拉格朗日来获得iu=0方程10b地方。在DAL收敛以生成外部操作参数1012的当前值之后，一些实施方式提取感兴趣的量(即，垂直速度梯度)以使用测量锥体上的激光雷达视线(LOS)来校正复杂地形上方的风速[0152]图11示出根据一些实施方式的与风流动感测有关的单个平面上的各种数据点的对各个海拔的速度和/或梯度取平均，以生成锥体和圆1100的中心1104。在这些实施方式单个平面1200上的所有点处以相同的无偏值开始，强制空气的不可压缩性以减小由LOS测集栅格。该算法开始于在各个平面中对栅格上的所有离散点处的无偏速度值1200进行插[0161]在求解纳维斯托克斯方程时，计算成本取决于流体的速度和粘度。对于大气流明确地求解大涡并且使用子栅格尺度模型(SGS模型)隐含地考虑小涡。使用LES方法的CFD新风向和/或新地形)使用高保真CFD求解，可修改低保真模型以学习结果的期望准确性所[0167]使用均匀假设计算水平速度，激光雷达对杯式风速计的相对误差为约8使用[0171]图14示出根据实施方式的圆柱体1402周围的风流动的压力1404和速度场1406的可压缩，V.u=0,导致v20-0.[0176]图15示出根据实施方式的地形流动模型的几何。+ζ方向上的速度U的均匀水平风cos(9)方程14[0199]在组合流动1606中，流动在点处停滞，因为由于源流动1602的速度与均匀流动[0201]图17A示出根据一些实施方式的均匀流动1700与双峰流动1702的组合以确定圆柱[0202]图17B示出根据实施方式的用于获得双峰流动1702的相等强度Λ的源流动1708和游延伸无穷远的水平轴1718是停滞流线的半径为R的圆柱体上方的流体流动可通过将速度V∞的均匀流动1700和强度Λ的双峰流动[0216]例如，一种技术涉及针对代表典型地点的各种形状和复杂地形对融合的CFD数据高斯过程回归或深度学习技术的处理来基于所有先前复杂地形形状推断新的复杂地形形法来确定单个或多个圆柱体的等效半径以求解逆问题。优化问题的这种解可用于训练。一[0217]图18示出根据一些实施方式的半径b的圆柱体与地形之间的示例性映射。这种保形映射的示例是儒可夫斯基(Joukowski)翼型，其是指穿过一系列翼型形状的位势流动的中，保形映射是局部保留角度，但未必保留长度的函数。只要各个点处的雅可比行列式定义将保形性定义为包括反向映射，其雅可比行列式可被写为任何标量乘以任何正交矩fr(N是圆柱体的数量)和速度U可通过伴随方法确定。圆柱体的半径和速度U的确定参照图21[0221]图20示出根据一些实施方式的构造和评估包括LOS测量和来自拉普拉斯叠加仿真的LOS的成本函数的示意图。以来自激光雷达测量的视线速度2000和来自拉普拉斯叠加[0222]图21示出根据一些实施方式的用于确定圆柱体的半径和上游速度U的DAL的实现提供成本函数在未知元(即，圆柱体半径和上游速度)的当前估计相对于未知元的灵敏度[0226]图23A和图23B共同示出一些实施方式用于在复杂地形中进行风流动湍流测量的分钟)内取平均。图23B所示的水平线2314表示水平速度在一段时间内的平均。水平速度无偏水平速度2316在一段时间内的平均。无偏水平速度的平均在图23B中由水平线2318表示。标准偏差被确定2308为无偏水平速度2316与无偏水平速度的平均2318之间的差的平[0244]图24A示出使用自相关函数校正标准偏差的示意图。一些实施方式基于这样的认个声波风速计隔开大约11.5m布置在各个测量高度处的相对吊杆上。声波数据被投影到激圆的一侧移动到另一侧所花费的时间进行仿真。基于时移和投影的数据(即，声波数据的值较小时，在稳定条件下方差校正没有显著改变方差WT和的估计值减小超过20从而导致估计值更接近风速计所测量的值。[0253]一些其它实施方式基于这样的认识：可使用最小二乘法来计算自相关函数的这些实施方式产生与从声波数据计算的值相似的ρu和ρv值以及与声波值相比远[0255]图24C示出根据一些实施方式基于与高保真CFD仿真的比较计算自相和ρw的值的示意图。高保真CFD仿真基于数据同化并且用于对激光雷达2412所使用的测量技术进行仿真。可例如使用在开源现场操作和操纵(OpenFOAM)计算流体动力学(CFD)工具箱上构建的海上/近海风能仿真器(SOWFA)内的大涡仿真(LES)求解器来执行高保真仿真。[0256]另选地，这些值可通过将风速计数据或高保真仿真数据映射至从LOS数据提取的[0257]图25示出根据一些实施方式的用于确定风流动湍流的风流动感测系统2500的框的激光雷达)在锥体上测量。风流动感测系统2500可具有将系统2500与其它系统和装置连时间步内针对各个海拔接收现场线方向的径向速度的一组测量2[0259]风流动感测系统2500包括被配置为执行所存储的指令的处理器2504以及存储可各个海拔处的径向速度的一组测量2518确定一组不同海拔处的风流动湍流的方法。为此，[0261]处理器2504被配置为将各个海拔和各个时间步的无偏水平速度估计为利用为对应时间步确定的估计速度场的垂直速度的对应水平导数校正的对应径向速度的水平投影。感测系统2500可通过总线2512链接到适于将风流动感测系统2500连接到显示装置2522的[0263]图26示出包括与采用一些实施方式的原理的系统2500通信的控制器2606的风力涡轮机2602的示意图。复杂地形2604上的风力涡轮机2602与系统2500集成。风力涡轮机2602可配备有收发器，其实现风力涡轮机的控制器2606通过有线或无线通信信道与系统[0264]激光雷达300在一组时间步内针对各个海拔测量在复杂地形2604和风力涡轮机施方式的可行描述。在不脱离所附权利要求中阐述的公开的主题的精神和范围的情况下，言和/或编程或脚本工具中的任一种来编写，并且也可被编译为在框架或虚拟机上执行的权利要求元素相比于另一权利要求元素的任何优先或次序或者方法动作执行的时间次序，而是仅用作标签以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称(但使用序数词)