用于通過遠(yuǎn)程測量徑向速度確定流體移動的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于確定目標(biāo)體積中流體的流動的方法，其包括在沿至少三個測量軸線分布的多個測量點(diǎn)處遠(yuǎn)程測量該測量點(diǎn)附近的流體的徑向速度的遠(yuǎn)程測量的步驟，該測量軸線穿過目標(biāo)體積并具有不同的空間定向，并且該方法還用于計算分布為目標(biāo)體積中的網(wǎng)格的多個計算點(diǎn)處的流體速度，其中流體速度的計算包括利用流體力學(xué)特性模型。本發(fā)明還涉及一種實(shí)施該方法的裝置。
【專利說明】用于通過遠(yuǎn)程測量徑向速度確定流體移動的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于通過遠(yuǎn)程測量流體的徑向移動速度來確定流體的移動的方法。本發(fā)明還涉及通過實(shí)施該方法遠(yuǎn)程感測流體移動的裝置。更具體地，本發(fā)明所屬的領(lǐng)域涉及但不限于位于大氣底層的風(fēng)的特性的遠(yuǎn)程感測。
【背景技術(shù)】
[0002]對于許多應(yīng)用，測量大氣或風(fēng)的移動相當(dāng)重要，尤其是在氣象學(xué)和用于監(jiān)控諸如機(jī)場和風(fēng)力發(fā)電廠的特征的應(yīng)用中。
[0003]通常有用的是，在很寬的高度范圍內(nèi)或與大體積相對應(yīng)的區(qū)域中測量空氣團(tuán)的位移，而這是利用傳統(tǒng)的風(fēng)速計如轉(zhuǎn)杯風(fēng)速計無法實(shí)現(xiàn)的，并且這樣的測量需要能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程測量的遠(yuǎn)程感測儀器。
[0004]這些儀器具體包括雷達(dá)、激光雷達(dá)和聲雷達(dá)。雷達(dá)和激光雷達(dá)系統(tǒng)分別使用超高頻和光頻范圍中的電磁波。聲雷達(dá)系統(tǒng)使用聲波。
[0005]具體地，在由A.Dolf1-Bouteyre, M.Valla, B.Augere, J.-P.Cariou, D.Goular,D.Fleury, G.Canat, C.Planchat, T.Gaudo, L.Lombard, 0.Petilon, J.Lawson-Daku 于2007年7月8日至13日在美國科羅拉多州，Snowmass舉行的第14屆相干激光雷達(dá)會議(CLRCXIV)上發(fā)表的“用于尾渦流監(jiān)控的1.5 μ m全纖維脈沖激光雷達(dá)”中描述了實(shí)施激光雷達(dá)的示例。
[0006]利用這種儀器測量空氣團(tuán)的移動通常以如下的方式執(zhí)行:
[0007]-設(shè)備在待測區(qū)域中沿發(fā)射軸線連續(xù)地或以脈沖的形式發(fā)射一束或多束波(聲學(xué)波和/或電磁波)。沿不同發(fā)射軸線的發(fā)射可以同時或者順序進(jìn)行。
[0008]-波束在大氣中受到散射效應(yīng),尤其由于所遇到的不均勻性(大氣微粒、顆粒、對于電磁波折射率的變化或?qū)τ诼暡曌璧淖兓?而受到散射效應(yīng)。當(dāng)波束在空氣團(tuán)或移動粒子中散射時，這些波束由于多普勒效應(yīng)還會發(fā)生頻移。
[0009]-背散射波束通過根據(jù)測量軸線定向的一個或多個接收器來檢測。這些接收器在沿其測量軸線的方向上檢測由大氣散射的波。
[0010]-因此可以沿檢測器的測量軸線計算發(fā)生散射的距離，例如通過測量傳播時間的方法或通過干涉測量法測量相移的方法。沿測量軸線的空氣團(tuán)或粒子的徑向速度還可以通過測量由于多普勒效應(yīng)的波的頻移而獲得。所測量的徑向速度與散射區(qū)域的速度矢量在檢測器的測量軸線上的投影相對應(yīng)。
[0011]遠(yuǎn)程感測儀器、尤其包括適于測量位于大氣底層的風(fēng)的特征的激光雷達(dá)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程感測儀器常為單站類型。這表示相同的光學(xué)器件或相同的天線(聲學(xué)的或電磁的)用于發(fā)送和接收信號。所探測的體積通常沿錐體分布，該錐體的頂點(diǎn)位于儀器的光學(xué)器件或天線的水平上。儀器沿錐體的每束脈沖測量粒子沿與發(fā)射軸線重合的測量軸線移動的徑向速度。因此獲得風(fēng)的徑向速度的測量值，其表示風(fēng)矢量在射束傳播軸線上的投影。
[0012]然后基于所獲得的徑向速度的測量值，計算整個目標(biāo)體積的風(fēng)矢量。[0013]在現(xiàn)有的裝置中，通常利用純幾何模型來執(zhí)行這種計算。這些模型具有這樣的缺點(diǎn)，即這些模型基于有時相當(dāng)不現(xiàn)實(shí)的假設(shè)，尤其是對于整個樣品的測量過程中風(fēng)的空間和時間均勻性。根據(jù)該假設(shè)，在給定高度上，每個由儀器探測的大氣點(diǎn)處的風(fēng)矢量都是相同的。
[0014]已知，例如可以通過求解具有三個未知數(shù)的具有至少三個方程的方程組來根據(jù)在同一高度處的至少三個方向上測量的至少三個徑向速度測量值計算給定高度處的風(fēng)矢量的分量，其中所述方程組描述風(fēng)矢量與其沿測量軸線的投影的幾何關(guān)系，該測量軸線通過徑向速度的測量而構(gòu)成。
[0015]一種用于幾何計算的方法為人們所知，其在文獻(xiàn)中被稱為“速度方位顯示(VAD)”，該方法也是基于給定高度處風(fēng)的空間均勻性的假設(shè)。如果裝置允許在覆蓋整個測量錐體的方向上進(jìn)行測量，則該方法也是適用的。該方法包括用于豎直速度、方向以及水平速度的參數(shù)優(yōu)化，充分利用在測量錐體的一整周(360度)上測量的所有徑向速度呈現(xiàn)調(diào)和函數(shù)形式的事實(shí)。該方法特別適用于處理利用激光雷達(dá)系統(tǒng)獲得的測量值。
[0016]已知Werner等人的文件US4, 735, 503描述了來源于VAD方法的一種方法,根據(jù)該方法采集可被限制于成角度的扇形中。然而，該方法基于給定高度處風(fēng)的空間均勻性的相同假設(shè)。
[0017]當(dāng)在基本平坦的地形(具有很小起伏或沒有起伏的地形或者海面)上進(jìn)行測量時，用于利用再建風(fēng)矢量的幾何技術(shù)測量風(fēng)的大氣遠(yuǎn)程感測儀器允許精確測量風(fēng)的平均速度。例如，利用激光雷達(dá)系統(tǒng)，在10分鐘內(nèi)取平均的測量值相對于通過校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)杯風(fēng)速計構(gòu)成的參考值的相對誤差低于2%。
[0018]另一方面，當(dāng)在更復(fù)雜的地形如起伏的地形、山地、或覆蓋有森林的地形等上進(jìn)行測量時，確定水平和豎直速度的準(zhǔn)確性顯著降低。對于利用相同的激光雷達(dá)系統(tǒng)執(zhí)行的測量并且相對于校準(zhǔn)的轉(zhuǎn)杯風(fēng)速計，在復(fù)雜地點(diǎn)上觀察到的在10分鐘內(nèi)計算的平均值的相對誤差約為5%至10%。
[0019]因此現(xiàn)有的實(shí)施幾何模型的裝置不能十分精確地測量水平和豎直速度，以及復(fù)雜地形上的風(fēng)向。事實(shí)上，在這種特定的情況下，在由儀器所探測的大氣體積中的給定高度處的風(fēng)不能再認(rèn)為是均勻的。現(xiàn)在，在這些情況下、尤其是在發(fā)展風(fēng)力發(fā)電廠的背景下，精確測量風(fēng)的特征是必需的。
[0020]當(dāng)研究與高度有關(guān)的風(fēng)速輪廓線(B卩，風(fēng)的速度矢量與直接在儀器之上的高度有關(guān))時也會出現(xiàn)該限制。
[0021]本發(fā)明的目的是提出適于在復(fù)雜環(huán)境中測量氣團(tuán)移動的用于確定流體移動的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明的目的通過利用用于在目標(biāo)體積中確定流體流動的方法來實(shí)現(xiàn)，該方法包括以下步驟:
[0023]-在沿至少三個測量軸線分布的多個測量點(diǎn)處，遠(yuǎn)程測量測量點(diǎn)附近的流體的徑向速度，該測量軸線穿過目標(biāo)體積且具有不同的空間定向；
[0024]-計算多個計算點(diǎn)處的流體的速度，多個計算點(diǎn)分布為目標(biāo)體積中的網(wǎng)格；[0025]其中，計算流體的速度包括使用流體的力學(xué)特性模型(mechanical behaviormodel)。
[0026]有利地，測量流體的徑向速度可包括測量之前發(fā)射且在流體中散射的波的(由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的)頻移。
[0027]徑向速度的測量可利用具有各種配置的儀器來執(zhí)行，尤其是單站儀器(發(fā)送器和接收器在空間上一致)、雙站儀器(包括在空間上獨(dú)立的發(fā)送器和接收器)或在一個場所分布的多個儀器的組合。
[0028]當(dāng)然根據(jù)本發(fā)明的方法適用于任何類型的流體的測量，尤其是液體或氣體，在流體中可獲得徑向速度的測量值，并且流體可以通過力學(xué)特性模型來描述。
[0029]該方法使得可以通過在多個測量軸線上得到的徑向速度的測量值來確定目標(biāo)體積中流體的移動，該方法比已知的幾何方法更精確，尤其是在當(dāng)體積中流體的行為不滿足現(xiàn)有技術(shù)的幾何模型所必需的空間均勻性的假設(shè)的情況下。
[0030]例如該假設(shè)可描述如下:表示流體局部移動的速度矢量對于目標(biāo)體積的所有點(diǎn)大體上相同，這些點(diǎn)位于相對于參考物(如傳感器)大體上相等的距離處。而該假設(shè)實(shí)際上經(jīng)常被證明是相當(dāng)不切實(shí)際的。
[0031]使用流體行為模型使得可以描述更復(fù)雜的行為。因此可以大大提高流體速度矢量的分量的測量，尤其是在復(fù)雜的和/或有干擾的環(huán)境中。
[0032]有利地，在根據(jù)本發(fā)明的方法直接提供一定體積中的風(fēng)的速度矢量的三維表示的意義上講，根據(jù)本發(fā)明的方法本質(zhì)上是三維的。此外，假定沿具有相對于目標(biāo)體積合理分布的空間定向的測量軸線執(zhí)行徑向速度的測量，流體速度矢量的分量都以相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性來確定，例如水平和豎直分量之間沒有特別的區(qū)別。
[0033]目標(biāo)體積可由連接計算點(diǎn) 的網(wǎng)格確定邊界或限定。該網(wǎng)格可包括結(jié)構(gòu)化的(例如具有矩形或曲線截面的笛卡爾網(wǎng)格)或非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)。測量點(diǎn)可包括在目標(biāo)體積中并包括在網(wǎng)格中。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的方法還可包括計算初始條件的步驟，該步驟包括:利用基于假設(shè)(目標(biāo)體積中的流體速度在測量軸線通過的基本上平行定向的層中基本均勻)的幾何模型，通過徑向速度的測量值來計算位于計算點(diǎn)處的流體速度，計算初始條件包括以下步驟中的至少之一:
[0035]-邊界條件的計算，包括計算限制位于目標(biāo)體積邊緣的計算點(diǎn)處的流體速度(或速度矢量)的限定條件，以及
[0036]-起始條件的計算,包括計算目標(biāo)體積中計算點(diǎn)處的流體速度。
[0037]在目標(biāo)體積中定義笛卡兒坐標(biāo)系(X，Y，Z)，其中Z軸被定義為高度，均勻?qū)涌衫缍ㄏ虺苫酒叫杏谄矫?Χ，γ)。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的方法還可包括使用存在于目標(biāo)體積的邊緣中或邊緣處材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算初始條件并且限制流體的延伸的步驟，該步驟包括:
[0039]-確定位于流體之外和/或材料表面附近的目標(biāo)體積的計算點(diǎn)，以及
[0040]-歸因分析限制所述被限定計算點(diǎn)的速度(或速度矢量)的條件。
[0041]該初始條件可考慮到出現(xiàn)并且影響流體流動的表面的起伏。材料表面可以是例如位于目標(biāo)體積底部處的地形表面，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)預(yù)先確定。為了能夠應(yīng)用該初始條件，目標(biāo)體積及其網(wǎng)格被限定以使得全部或部分地包括該表面。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的方法還可包括通過使用先前計算的初始條件并且通過求解流體的力學(xué)特性模型的方程來計算目標(biāo)體積中的流體速度(或速度矢量)的步驟。
[0043]僅初始條件(包括邊界條件和起始條件)根據(jù)空間均勻性的假設(shè)進(jìn)行計算。初始條件構(gòu)成計算目標(biāo)體積中流體速度的起始點(diǎn):
[0044]-邊界條件使得可以對目標(biāo)體積邊緣處的流體速度設(shè)立約束，從而求解流體力學(xué)特性模型的方程以在目標(biāo)體積中得到確定的解；
[0045]-起始條件使得可以初始化以通過迭代法求解流體的力學(xué)特性模型的方程，從而使方程朝向確定的解收斂。
[0046]在本發(fā)明的背景中，可以實(shí)施流體力學(xué)特性的所有模型。取決于背景，模型的選擇可以有利地改變，以優(yōu)化計算的復(fù)雜性。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，流體力學(xué)特性模型可包括這樣的假設(shè)，S卩，流體包括不可壓縮的牛頓流體并且其流動可近似地由納維-斯托克斯方程(Navier-Stokes equation)描述。
[0048]納維-斯托克斯方程(根據(jù)其一種通常的表現(xiàn)形式)可包括連續(xù)性方程和動量守恒方程。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，流體力學(xué)特性模型可包括流體的流動是靜止的假設(shè)。
[0050]根據(jù)其他實(shí)施方式，流體力學(xué)特性模型可包括這樣的假設(shè)，S卩，流體包括理想流體并且其流動可近似地由流體的歐拉方程來描述。
[0051]在這種情況下，和不可壓縮的牛頓流體相比，熱梯度和粘性的效果也可以忽略。
[0052]牛頓流體為粘性應(yīng)力張量是應(yīng)變張量的線性函數(shù)的流體。該模型很好地適用于多種常見流體，具體包括空氣和水。定義以下變量，采用以國際單位制表示的單位:
[0053]V ；流體的速度矢量(通常為m.S4);
[0054]V:流體的運(yùn)動粘度(m2.S-1)；
[0055]P:流體的密度(kg.m_3);
[0056]/:作用在流體上的質(zhì)量力的合成(N.kg—1)；
[0057]P:流體的壓強(qiáng)(Pa)。
[0058]因此可以通過包括質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程的方程組來描述流動:
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定目標(biāo)體積中流體的流動的方法，包括以下步驟: -在沿至少三個測量軸線(3)分布的多個測量點(diǎn)(21)處，遠(yuǎn)程測量位于所述測量點(diǎn)(21)附近的所述流體的徑向速度(11)，所述測量軸線穿過所述目標(biāo)體積并且具有不同的空間定向， -計算多個計算點(diǎn)(22、23)處的所述流體的速度(10)，其中所述多個計算點(diǎn)分布為所述目標(biāo)體積中的網(wǎng)格(20)； 其中，計算所述流體的速度(10)包括利用所述流體的力學(xué)特性模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，測量所述流體的徑向速度(11)包括:測量先前被發(fā)送并且在所述流體中被散射的波的多普勒頻移。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，還包括計算初始條件的步驟，所述計算初始條件的步驟包括:利用基于假設(shè)的幾何模型，通過徑向速度(11)的測量值計算位于計算點(diǎn)(22，23)處的所述流體的速度(10)，所述假設(shè)為所述目標(biāo)體積中所述流體的速度(10)在所述測量軸線(3)穿過的多個層中大體上是均勻的，所述多個層具有大體上平行的定向，所述初始條件的計算包括以下計算中的至少之一: -邊界條件的計算，包括對限制位于所述目標(biāo)體積邊緣的計算點(diǎn)(23)處的所述流體的速度(10)的條件的計算，以及 -起始條件的計算，包括位于所述目標(biāo)體積中計算點(diǎn)(22)處的所述流體的速度(10)的計算。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括利用材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算初始條件的步驟，所述材料表面存在于所述目 標(biāo)體積的邊緣中或存在于所述目標(biāo)體積的邊緣處，并且限定所述流體的延伸，所述利用材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算初始條件的步驟包括: -確定位于所述流體之外和/或位于所述材料表面附近的所述目標(biāo)體積的計算點(diǎn)(22、23)，以及 -歸因分析所限定的計算點(diǎn)(22、23)的速度(10)的限制條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，還包括通過利用先前計算的初始條件并且通過求解所述流體的力學(xué)特性模型的方程來計算所述目標(biāo)體積中所述流體的速度(10)的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述流體的力學(xué)特性模型包括以下假設(shè)中任何一個: -所述流體包括不可壓縮的牛頓流體并且其流動近似由納維-斯托克斯方程描述，或者 -所述流體包括理想流體并且其流動近似由流體的歐拉方程描述。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中f表示所述流體的速度矢量(10)，V表示所述流體的運(yùn)動粘度，P表示所述流體的密度，/表示作用在所述流體上的質(zhì)量力的合力以及P表示所述流體的壓強(qiáng)，所述流體的流動由以下方程組中任何一個描述:
V-F = O
---1 -.V * I ' + (?, -Vl1- -1- -Vp 二 tOtP
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述流體的力學(xué)特性模型的方程在所述目標(biāo)體積的計算點(diǎn)處通過迭代法數(shù)值地求解。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中求解所述力學(xué)特性模型的方程包括利用條件矩陣。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述流體的所述力學(xué)特性模型包括一種假設(shè)，假設(shè)所述流體包括理想流體，并且所述流體的流動在所述目標(biāo)體積中是近似無旋的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中P表示所述流體的速度矢量(10)，P表示速度勢，所述流體的流動由以下方程描述:
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述流體的所述力學(xué)特性模型的方程通過在所述目標(biāo)體積的計算點(diǎn)處對拉普拉斯算子的矩陣進(jìn)行求逆來數(shù)值地求解。
13.根據(jù)權(quán)利要求5-12中任一項所述的方法，還包括以下步驟: 通過求解所述流體的所述力學(xué)特性模型的方程從先前在所述目標(biāo)體積中計算的所述流體的速度(10)來計算新的初始條件， 利用所述新的初始條件，通過求解所述流體的所述力學(xué)特性模型的方程來計算所述目標(biāo)體積中的所述流體的速度(10)。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，還包括計算所述目標(biāo)體積中所述流體的速度(10)和測量徑向速度(11)的至少一個初步序列，并且計算所述目標(biāo)體積中的所述流體的速度(10)還包括利用流體力學(xué)特性的動態(tài)模型，以及利用在一個或多個所述初步序列期間計算的所述流體速度(10)。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，所述方法被實(shí)施以用于測量位于大氣底層中的風(fēng)。
16.—種通過實(shí)施根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法來確定目標(biāo)體積中流體的流動的裝置，包括: -用于遠(yuǎn)程測量的部件(1)，在沿至少三個測量軸線(3)分布的多個測量點(diǎn)(21)處遠(yuǎn)程測量位于所述測量點(diǎn)(21)附近的所述流體的徑向速度(11)，所述測量軸線(3)穿過所述目標(biāo)體積并且具有不同的空間定向， -用于計算的部件(9)，用于計算多個計算點(diǎn)(22，23)處的所述流體的速度(10)，所述多個計算點(diǎn)分布為所述目標(biāo)體積中的網(wǎng)格(20)；其中，所述用于計算所述流體的速度(10)的部件(9)被設(shè)置成用于實(shí)施所述流體的力學(xué)特性模型。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，還包括以下裝置中的任何一個:激光雷達(dá)、雷達(dá)、聲雷達(dá)。`
【文檔編號】G01P5/26GK103430030SQ201180064405
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月5日
【發(fā)明者】馬希歐·博奎特, 馬克西米·尼巴特, 阿蒙德·阿爾伯格爾 申請人:利奧斯費(fèi)爾公司, 阿里亞技術(shù)公司