一种基于高阶泰勒展开的三维风场反演方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114740496A(43)申请公布日2022.07.12(21)申请号202210268988.4(22)申请日2022.03.18(71)申请人中国人民解放军国防科技大学地址410073湖南省长沙市开福区德雅路109号(72)发明人李健兵高航周洁沈淳(74)专利代理机构长沙国科天河知识产权代理有限公司43225专利代理师李杨(51)Int.Cl.G01S17/95(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图2页(54)发明名称一种基于高阶泰勒展开的三维风场反演方法(57)摘要本发明涉及一种基于高阶泰勒展开的三维风场反演方法，包括：S1.利用测风激光雷达对感兴趣的风场区域进行探测，获取风场区域的径向速度观测值Vr，以及，建立三维坐标系并确定分析区域；其中，定义所述分析区域的中心坐标为X0，所述分析区域中所有所述激光雷达探测单元的坐标为X；S2.确定泰勒展开式的总阶数P，以及基于所述分析区域内所有所述激光雷达探测单元的位置计算各阶所述泰勒展开式对应的系数矩阵；S3.利用各阶所述泰勒展开式对应的系数矩阵以及分析区域内所有激光雷达探测单元的径向速度观测值Vr，分别计算得到各阶风场的参数估计值；S4.根据各阶风场的所述参数估计值，计算得到分析区域内的三维风场反演结果。CN114740496ACN114740496A权利要求书1/3页1.一种基于高阶泰勒展开的三维风场反演方法，包括：S1.利用测风激光雷达对感兴趣的风场区域进行探测，获取风场区域的径向速度观测值Vr，以及，建立三维坐标系并确定分析区域；其中，定义所述分析区域的中心坐标为X0＝(x0,y0,z0)，所述分析区域中所有所述测风激光雷达的激光雷达探测单元的坐标为X；S2.确定泰勒展开式的总阶数P，以及基于所述分析区域内所有所述激光雷达探测单元的位置计算各阶所述泰勒展开式对应的系数矩阵；S3.利用各阶所述泰勒展开式对应的系数矩阵以及所述分析区域内所有所述激光雷达探测单元的径向速度观测值Vr，分别计算得到各阶风场的参数估计值；S4.根据各阶风场的所述参数估计值，计算得到所述分析区域内的三维风场反演结果。2.根据权利要求1所述的三维风场反演方法，其特征在于，步骤S2中，确定泰勒展开式的总阶数P的步骤中，所述总阶数P满足：P≥0。3.根据权利要求1或2所述的三维风场反演方法，其特征在于，步骤S2中，基于所述分析区域内所有所述激光雷达探测单元的位置计算各阶所述泰勒展开式对应的系数矩阵的步骤中，第0阶泰勒展开式对应的所述系数矩阵为：第p阶泰勒展开式的系数矩阵为：其中，下标u表示该系数矩阵与所述三维坐标系中x方向上的风场相关；下标v表示该系数矩阵与所述三维坐标系中y方向上的风场相关；下标w表示该系数矩阵与所述三维坐标系中z方向上的风场相关；上标p表示第p阶泰勒展开，且p∈(0，P]；θ为所述分析区域内所有所述激光雷达探测单元的方位角；为所有所述激光雷达探测单元的仰角；Δx为所述激光雷达探测单元到所述分析区域中心的三维距离，其满足Δx＝X‑X0，运算符表示两个矩阵同一位置处的元素两两相乘。4.根据权利要求3所述的三维风场反演方法，其特征在于，步骤S3中，利用各阶所述泰勒展开式对应的系数矩阵以及所述分析区域内所有所述激光雷达探测单元的径向速度观测值为Vr，分别计算得到各阶风场的参数估计值的步骤中，包括：S31.利用岭回归方法，结合所述激光雷达探测单元获取的径向速度观测值Vr和第0阶泰勒展开式对应的系数矩阵F0进行求解，得到第0阶风场的参数估计值，并计算第0阶径向速度残差S32.利用第0阶径向速度残差和第1阶泰勒展开式对应的系数矩阵F1进行求解，得到第1阶风场的参数估计值，并计算第1阶径向速度残差S33.依次类推，利用第p‑1阶径向速度残差和第p阶泰勒展开式的系数矩阵Fp求解2CN114740496A权利要求书2/3页第p阶风场的参数估计值，并计算第p阶径向速度残差直到p＝P+1终止，得到包含第0阶至第P阶风场的参数估计值。5.根据权利要求4所述的三维风场反演方法，其特征在于，步骤S31中，第0阶风场的参数估计值表示为：第0阶径向速度残差表示为：其中，Φ0为待求解的第0阶风场的参数，表示求解得到的Φ0的估计值，且可表示为表示待求解的第0阶风场的参数在所述三维坐标系中x方向上的分量，为其估计值；表示待求解的第0阶风场的参数在所述三维坐标系中y方向上的分量，为其估计值；表示待求解的第0阶风场的参数在所述三维坐标系中z方向上的分量，为其估计值；α0为岭回归正则化因子，其值通过常用的交叉验证方法得到。6.根据权利要求5所述的三维风场反演方法，其特征在于，步骤S33中，第p阶风场的参数估计值表示为：第p阶径向速度残差表示为：其中，表示第p阶