本發明涉及信息，尤其涉及一種船載式三維掃描測風激光雷達的測量方法。

背景技術：

1、船載激光測風技術在海上風場測量中面臨著一個關鍵的技術難題：如何在船舶不斷運動的情況下，準確測量和重構三維風場。海上環境復雜多變，船舶在波浪中不斷搖晃，導致激光測風設備的坐標系持續變化，這嚴重影響了風速和風向的測量精度。傳統的靜態測風方法難以適應這種動態環境，無法準確捕捉海上風場的真實狀態。此外，船舶自身的運動也會引入額外的多普勒效應，干擾風速的計算。這些因素綜合起來，使得海上風場測量面臨著巨大的挑戰。如何在船舶運動的條件下，實現激光測風系統與地理坐標系之間的精確轉換，消除船舶運動帶來的誤差，并準確重構出三維風場，成為了亟待解決的核心問題。這一問題的解決對于海上風電場選址、海洋氣象監測等應用具有重要意義，直接關系到海上風能資源評估的準確性和海洋工程的安全性。

技術實現思路

1、本發明旨在提供一種精度高、可靠性好且效率高的船載式三維掃描測風激光雷達的測量方法。

2、本發明所采用的技術方案是：一種船載式三維掃描測風激光雷達的測量方法，其中，測風激光雷達設置在船舶上，該方法包括以下步驟：

3、s1.通過組合慣導獲取船舶的姿態信息，所述姿態信息包括艏向角、縱搖角和橫搖角；

4、s2.根據所述姿態信息和預設的雷達坐標系與地理坐標系之間的坐標變換模型，確定測風激光雷達的激光束在地理坐標系下的方位角和俯仰角；

5、s3.根據確定的方位角和俯仰角，控制測風激光雷達發射激光束，并接收反射回波信號；

6、s4.根據反射回波信號，獲取風場的三維速度分量信息，得到三維風場；

7、s5.建立徑向速度修正模型，對步驟s4得到的徑向速度進行修正，實時得到地理坐標系下扣除船舶速度影響的真實的風場徑向速度。

8、進一步地，所述s2步驟的具體步驟包括：

9、s21.根據所述s1步驟得到的艏向角、縱搖角和橫搖角，確定歐拉角轉換矩陣：

10、通過慣性導航獲取測風激光雷達的艏向角、縱搖角和橫搖角，

11、由雷達坐標系與地理坐標系到雷達坐標系的轉換關系為：

12、????????????（1）

13、其中三個歐拉角的轉換矩陣為：

14、???????（2）

15、其中，y、p和r分別是船舶的艏向角、縱搖角和橫搖角的矩陣，方向定義為左手系，艏向角指北為0且順時針為正，縱搖角低頭為正，橫搖角左傾為正，角度單位為弧度，風向矢量 rlos與雷達角度之間關系表示為：

16、???????（3）

17、其中和分別為波束 i在雷達坐標系下的北向角和俯仰角；

18、s22.將測風激光雷達在雷達坐標系下的激光束發射角度，通過所述歐拉角轉換矩陣轉換為在地理坐標系下的方位角和俯仰角：

19、在地理坐標系內發射激光光束的方向為：

20、????（4）

21、得到新的方位角和俯仰角分別為

22、?????（5）。

23、進一步地，所述s4步驟具體為：

24、獲取不同波束方向的徑向風速，根據各徑向風速分量，確定風場在地理坐標系下的東向、北向和垂直方向的速度分量：

25、通過公式（4）和公式（5），得到四個新的方位矢量，設四波束均正常測量，得到新的激光測速徑向風速：

26、????????（6）

27、對公式（6）進行簡化，令公式（6）為：

28、 ax= b???（7）

29、則???????（8）

30、其中，???????（9）

31、????????（10）

32、??????（11）

33、為矩陣的轉置矩陣，為矩陣的逆矩陣，b為四波束的激光測速徑向風速。

34、進一步地，所述s5的具體步驟為：

35、根據船舶的航行速度對所述徑向風速進行修正，得到修正后的各徑向風速分量：

36、通過gnss獲取船舶所在的經緯度，將其轉換到笛卡爾坐標系：

37、（12），

38、其中是經度，是緯度，是高程，取甲板與海面的高度差，，，，返回的為地心地固坐標系下的坐標，此時將其轉換到船心東北天坐標系（e、n、u）：

39、?????（13），

40、對求時間的一階偏導，可得船舶速度為：

41、????（14）

42、實際風場的徑向速度由船舶運動的速度和測量的徑向風速疊加，徑向風速以遠離雷達為正：

43、?????????????（15）

44、水平風速為

45、???????????（16）

46、風向為

47、?????（17），

48、最終實時得到地理坐標系下扣除船舶速度影響的真實的風場徑向速度。

49、此外，在所述s5步驟后，還包括以下步驟：

50、通過最小二乘法，由各修正后的徑向風速分量擬合求解風場在地理坐標系下的速度分量；

51、根據風場的三維速度分量信息，結合雷達在不同高度處測量的風場信息重構船舶周圍區域的三維風場；

52、結合所述船舶的導航位置信息，生成風場分布圖，并顯示所述風場分布圖。

53、本發明實施例提供的技術方案可以包括以下有益效果：

54、本發明公開了一種船載激光測風方法，解決了海上風場測量精度受船舶運動影響的問題；該方法通過獲取船舶姿態信息，建立雷達坐標系與地理坐標系的變換模型，將激光束方向從雷達坐標系轉換到地理坐標系；利用多普勒頻移信息和最小二乘法進行風速反演，并通過插值擬合重構三維風場；針對船舶運動干擾，本發明根據姿態信息對風速進行補償，更新三維風場，從而獲得穩定的測量結果。這種方法有效提高了海上風場測量的準確性，為海上風電場選址、海洋氣象監測等應用提供了可靠的數據支持，具有重要的實用價值。

技術特征：

1.一種船載式三維掃描測風激光雷達的測量方法，其中，測風激光雷達設置在船舶上，其特征在于，該方法包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種船載式三維掃描測風激光雷達的測量方法，其特征在于，所述s2步驟的具體步驟包括：

3.根據權利要求2所述的一種船載式三維掃描測風激光雷達的測量方法，其特征在于，所述s4步驟具體為：

4.根據權利要求3所述的一種船載式三維掃描測風激光雷達的測量方法，其特征在于，所述s5步驟的具體步驟為：

5.根據權利要求4所述的一種船載式三維掃描測風激光雷達的測量方法，其特征在于，在所述s5步驟后，還包括以下步驟：

技術總結
本申請提供一種船載式三維掃描測風激光雷達的測量方法，包括：通過組合慣導獲取船舶的姿態信息，所述姿態信息包括艏向角、縱搖角和橫搖角；根據所述姿態信息和預設的雷達坐標系與地理坐標系之間的坐標變換模型，確定所述船載式三維掃描測風激光雷達的激光束在地理坐標系下的方位角和俯仰角；根據所述方位角和俯仰角，控制所述船載式三維掃描測風激光雷達發射激光束，并接收反射回波信號；根據所述反射回波信號，獲取風場的三維速度分量信息，得到三維風場。

技術研發人員：張才士,盛一成,曹丁象,徐迎彬,趙德平,段譽,韓增良,許梓浩,林駿宇
受保護的技術使用者：珠海光恒科技有限公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28