[發明專利]一種采用成像手段確定高空風速的方法及系統

在審

• 申請號: 202011580972.4
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112730884A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 楊緒南
• 申請（專利權）人: 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司
• 主分類號: G01P5/00
• 分類號: G01P5/00
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王愛濤

本發明涉及一種采用成像手段確定高空風速的方法及系統，通過定焦相機對云層底部按照預設采樣頻率進行拍攝，將每個云層底部圖像均劃分為多個判讀窗口，對相鄰兩個采樣時刻的云層底部圖像的對應位置的判讀窗口進行互相關運算，結合成像比例值和預設采樣頻率獲得每個云層底部圖像的移速矢量矩陣，對移速矢量矩陣中的所有移動速度矢量進行加權平均，獲得每個云層底部圖像的底層云層的移動速度矢量，結合定焦相機與所述云層底部的垂直距離，獲得每個采樣時刻的定焦相機與云層底部之間任意高度處的風速矢量。本發明利用定焦相機拍攝云層底部圖像，識別云層底部圖像獲得高空風速，在保證計算風速準確性的同時降低了風速觀測的成本。

技術領域

本發明涉及風速測量技術領域，特別是涉及一種采用成像手段確定高空風速的方法及系統。

背景技術

高空風速是氣象學以及風工程等領域所關注的重要氣象要素之一。目前捕獲高空風速的方法有兩類，分別是接觸式方法和非接觸式方法。其中，接觸式風速測量設備包括：

1)測風塔，測風塔的高度從幾十米到幾百米不等；

2)下投式探空儀，這種方式一般依靠飛行器在高空投放測風設備獲取風速數據；

3)探空氣球，即從地面釋放攜帶測風設備的升空裝置實測風速測量。

非接觸式風速測量設備包括：

1)聲雷達，基于多普勒原理以聲波作為媒介測算高空風速；

2)激光雷達或電磁波雷達，同樣基于多普勒雷達，但媒介為激光或電磁波。

接觸式的測量方法由于需要將測風設備依附于建筑物或塔體上，建筑對風的擾流效應會干擾觀測結果。而對于非接觸式的多普勒雷達，由于其一般需要從地面向高空投射聲波、激光或電磁波，所測得的風速分量一般是垂直風速，對所關心的水平風速的觀測誤差較大。

此外，不管是接觸式的測量方法還是非接觸式的測量方法，其經濟成本均較高。接觸式的測量方法一般需要專業的測量設備，甚至涉及到征地等問題。非接觸式的測量方法如激光雷達，造價同樣較高。

發明內容

本發明的目的是提供一種采用成像手段確定高空風速的方法及系統，通過識別云層底部圖像獲得高空風速，在保證高空風速計算準確性的同時降低風速觀測的成本。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種采用成像手段確定高空風速的方法，所述方法包括：

通過定焦相機對云層底部按照預設采樣頻率進行拍攝，獲得云層底部圖像序列；

確定所述定焦相機與所述云層底部的垂直距離；

根據所述垂直距離，獲得所述定焦相機拍攝的參考物的成像長度與所述參考物的實際長度的成像比例值；

將所述云層底部圖像序列中的每個云層底部圖像均劃分為多個判讀窗口；

根據所述成像比例值和所述預設采樣頻率，對所述云層底部圖像序列中相鄰兩個采樣時刻的云層底部圖像的對應位置的判讀窗口進行互相關運算，獲得每個云層底部圖像的每個對應位置的判讀窗口中云層微團的移動速度矢量，并將每個云層底部圖像的所有判讀窗口中云層微團的移動速度矢量構成移速矢量矩陣，獲得每個云層底部圖像的移速矢量矩陣；

分別對每個云層底部圖像的移速矢量矩陣中的所有移動速度矢量進行加權平均，獲得每個云層底部圖像的底層云層的移動速度矢量；

根據每個云層底部圖像的底層云層的移動速度矢量和所述垂直距離，利用指數風剖面經驗公式或對數風剖面經驗公式，獲得每個采樣時刻的定焦相機與云層底部之間任意高度處的風速矢量。

可選的，所述確定所述定焦相機與所述云層底部的垂直距離，具體包括：