CN102902242A - 监视和控制物理结构的系统以及控制风力发电机的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于控制风力发电机的系统。一种系统包括光源和光束扫描器，所述光束扫描器用于在所述风力发电机上扫描光脉冲。所述系统进一步接收反向散射光脉冲，然后提供对应于所述光脉冲的信号。所述系统基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值。所述系统将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联。所述系统基于与所述光脉冲关联的所述飞行时间而生成所述风力发电机的图像，然后将所生成图像与所述风力发电机的至少一幅已知图像进行比较。所述系统基于所述比较而生成所述风力发电机的健康状况资料，然后基于所述健康状况资料而改变所述风力发电机的一项或多项参数。

Description

监视和控制物理结构的系统以及控制风力发电机的系统

技术领域

本专利申请文件所述实施例大体涉及监视和控制系统，确切地说，涉及用于监视和控制物理结构的系统。

背景技术

我们知道，风力发电机等物理结构是可再生能量的重要来源。风力发电机将风能转换成电能。具体而言，风吹过叶片，使叶片产生“升力”并因此而围绕轴旋转。此外，所述轴驱动产生电能的发电器。通常情况下，风力发电机因风力条件的不断变化而容易遭受各种气动负载。此外，风力发电机也容易遭受意外恶劣天气条件。在这种情况下，需要了解风力发电机部件的空间特性，例如沿叶片长度的总体弯曲和扭转、塔架顶位移和振动、偏航角等。这些感测反馈可用于监视风力发电机部件的物理健康状况，如忽略此方面，则可能造成风力发电机发生严重故障。此外，这些感测反馈可用于控制风力发电机的运行参数，以便风力发电机获得更好的效率（能量产生）。

此问题可通过一种风力发电机监视系统而在一定程度上得到缓解，所述风力发电机监视系统提供风力发电机感测反馈，并有助于检测即将发生的风力发电机部件故障。外侧传感器系统等一些已知风力发电机监视系统可用于监视风力发电机叶片上的机械应力。所述外侧传感器系统使用安装在风力发电机叶片上的传感器。例如，光纤光栅（FBG）应变传感器通常安装在风力发电机叶片的外部，用以测量叶片上发生的应变。但是，此类传感器容易遭受高风速、降雨、降雪、冰雹等恶劣天气条件，因而可能缩短传感器的寿命。此外，受限于可能安装在风力发电机叶片上的传感器的数目，所述外侧传感器系统的空间分辨率可能较低。

此外，一种嵌入涡轮机的每个叶片中的三轴加速度计系统可用于测量涡轮机叶片的运行频率，并在监视到因应力过度或叶片损坏而严重偏离正常运行参数时发出警告。但是，这种方法也具有较低空间分辨率且受限于低频率响应。

因此，需要一种克服了与已知解决方案关联的这些和其他问题的监视和控制系统。

发明内容

一种监视和控制物理结构的系统包括适用于产生光脉冲的光源。所述系统也包括与所述光源连接的光束扫描器。所述光束扫描器适用于在物理结构的预定俘获区域上扫描所述光脉冲。所述系统进一步包括光电检测器，其适用于从所述物理结构接收反向散射光脉冲，然后提供对应于所述光脉冲中的每个光脉冲的信号。所述系统进一步包括预处理模块，其基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值。所述系统也包括关联模块，用以将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联。所述系统进一步包括图像发生器，用以基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的飞行时间而生成所述物理结构的图像。所述系统进一步包括将所生成图像与所述物理结构的至少一幅已知图像进行比较的图像比较器。所述图像比较器适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而对所述图像进行比较。所述系统进一步包括健康状况指示器模块，用以至少部分基于所述比较而生成所述物理结构的健康状况资料。

其中所述光源是适用于生成激光脉冲的激光源。

其中所述预处理模块包括：适用于放大从所述光电检测器接收的电流信号的振幅的电流放大器；适用于将所放大的电流信号转换成；模拟电压信号的信号转换器；适用于将所述模拟电压信号数字化的数字转换器；适用于检测数字化电压信号的峰值的峰值检测器；以及阈值设置模块。所述阈值设置模块适用于用所述电压信号的所检测峰值来将数字化信号规格化，并根据所检测峰值来将阈值调整为规格化的数字化电压信号的中值。

其中所述物理结构包括以下项中的至少一项：风力发电机、塔架、地面结构和空中结构。

所述系统进一步包括与所述光电检测器关联的光学模块，其中所述光学模块增强对反向散射光脉冲的收集。

其中所述图像比较器适用于基于在所述图像中对关联的所接收光脉冲的飞行时间进行比较，以确定所述物理结构中至少1毫米级别的位移。

其中所述飞行时间是所述光脉冲从所述光源产生与所述光脉冲为所述光电检测器接收之间的精确时间。

其中所述图像比较器适用于对所述图像进行实时比较。

一种控制风力发电机的系统包括适用于产生光脉冲的光源。所述系统也包括与所述光源连接的光束扫描器。所述光束扫描器适用于在所述风力发电机的预定俘获区域上扫描所述光脉冲。所述系统进一步包括光电检测器，其适用于从所述风力发电机接收反向散射光脉冲，然后提供对应于所述光脉冲中的每个光脉冲的信号。所述系统进一步包括预处理模块，其基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值。所述系统也包括关联模块，用以将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联。所述系统进一步包括图像发生器，用以基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而生成所述风力发电机的图像。所述系统进一步包括将所生成图像与所述风力发电机的至少一幅已知图像进行比较的图像比较器。所述图像比较器适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而对所述图像进行比较。所述系统进一步包括健康状况指示器模块，用以至少部分基于所述比较而生成所述风力发电机的健康状况资料。所述系统还包括控制单元，其适用于至少部分基于所述风力发电机的所述健康状况资料而改变所述风力发电机的一项或多项参数。

其中所述预处理模块包括：适用于放大从所述光电检测器接收电流信号的振幅的电流放大器；适用于将所放大的电流信号转换成模拟电压信号的信号转换器；适用于将所述模拟电压信号数字化的数字转换器；适用于检测数字化电压信号的峰值的峰值检测器；以及阈值设置模块。所述阈值设置模块适用于用所述电压信号的所检测峰值来将数字化信号规格化，并根据所检测峰值来将阈值调整为规格化的数字化电压信号的中值。

其中所述已知图像包括以下项中的至少一项：之前由所述图像发生器形成的图像，处于空闲条件的风力发电机的图像。

其中所述健康状况资料包括关于以下项中的至少一项的信息：叶片形状、叶片位移、叶片弯曲和扭转、风力发电机塔架顶位移、对所述风力发电机的一个或多个部件的应力和应变分析、所述风力发电机的一个或多个部件中的振动，以及机舱偏航角。

其中所述控制单元基于所述风力发电机的所述健康状况资料和所述风力发电机的功率要求而改变所述风力发电机的一项或多项参数。

其中所述风力发电机的所述一项或多项参数包括以下项中的至少一项：变桨、偏航角、转速和扭矩。

其中所述控制单元适用于控制安装在风场中的多个风力发电机。

其中所述健康状况指示器模块适用于生成安装在所述风场中的所述多个风力发电机的健康状况资料。

一种控制风力发电机的方法包括发送由所述风力发电机的预定俘获区域上的光脉冲构成的扫描光束。所述方法还包括从所述风力发电机接收反向散射光束。所述方法进一步包括生成对应于所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲的数字化电压信号。所述方法进一步包括检测所述电压信号的峰值。所述方法进一步包括基于所述电压信号的所检测峰值的规格化值而调整所述电压信号的阈值。所述方法进一步包括至少部分基于所调整的阈值，计算对应于所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲的飞行时间。所述方法还包括将所计算的飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联。所述方法进一步包括基于与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联的飞行时间而生成所述风力发电机的图像。所述方法进一步包括将所生成图像与所述风力发电机的至少一幅已知图像进行比较。所述方法进一步包括至少部分基于所述比较而生成所述风力发电机的健康状况资料。所述方法进一步包括至少部分基于所述风力发电机的所述健康状况资料而控制所述风力发电机的一项或多项参数。

所述方法进一步包括针对所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲：生成电流信号；放大所述电流信号的振幅；将所放大的电流信号转换成模拟电压信号；以及将所述模拟电压信号转换成数字化电压信号。

其中调整包括用所检测峰值将所述电压信号规格化，以及根据所检测峰值将所述阈值调整为所述电压信号的中值。

其中所述风力发电机的所述一项或多项参数包括以下项中的至少一项：变桨、偏航角、转速和扭矩。

附图说明

图1是根据一个实施例用于监视物理结构的健康状况的系统的简化方框图；

图2所示是根据一个实施例用于使用图1所示系统来控制风力发电机的环境；

图3是根据另一个实施例用于控制所述风力发电机的系统的简化方框图；以及

图4是根据一个实施例用于控制所述风力发电机的实例方法的流程图。

部件标号列表：

具体实施方式

图1所示是根据一个实施例用于监视物理结构200的健康状况的系统100。例如，系统100可结合物理结构200使用，以监视所述物理结构200的健康状况，所述物理结构200可以是风力发电机、塔架、地面结构和空中结构。

系统100可包括光源110。光源110可适用于产生由短光脉冲构成的光束。在一个示例性实施例中，光源110可以是适用于产生激光束的激光源。下文中术语“光束”和“光脉冲”可替代性地称为“光脉冲”和“光束”。

光源110可以是气体激光器、化学激光器、染料激光器、金属蒸汽激光器、固态激光器、半导体激光器等。此外，在一项示例性实施例中，光源110可适用于产生持续时间小于或等于1毫微秒的短光脉冲。系统100也可包括与光源110连接的光控制器112。光控制器112可适用于调制源自光源110的光脉冲的强度。

系统100可进一步包括与光源110连接的光束扫描器120。光束扫描器120可以是适用于扫描光源110产生的光脉冲的高速扫描器。在一个实施例中，光束扫描器120可采用电光偏转器来使所述光脉冲偏转，从而获得高速扫描速率。光束扫描器120，尤其是电光偏转器可呈现出约2MHz的扫描速率。系统100也可包括与光束扫描器120连接的扫描器控制器122。扫描器控制器122适用于调节光束扫描器120的扫描速度。

扫描的光脉冲定向到物理结构200的预定俘获区域上。在一个示例性实施例中，预定俘获区域可包括物理结构200的整个表面。在冲击物理机构200之后，定向的扫描光束可能向系统100反向散射（反射回光束来自的方向）。在本发明的一个实施例中，可在扫描光束定向到物理结构200上之后立即启动时钟计数器。可通过时钟计数器来在光脉冲向物理结构200行进，并在冲击物理结构200后向光源110反向散射的过程中，记录每个光脉冲的飞行时间。

系统100可包括光电检测器130，用于从物理结构200接收反向散射的光脉冲。在一个实施例中，系统100也可包括与光电检测器130关联的光学模块140。光学模块140可包括由一个或多个透镜构成的构形。光学模块140可增强从物理结构200的反向散射光脉冲的收集。在一个实施例中，系统100可采用接收望远镜（未图示）来从物理结构200接收反向散射的光脉冲。

光电检测器130在接收反向散射光脉冲之后，可将所述反向散射光脉冲转换成电信号，例如（但不限于）电流信号。光电检测器130适用于提供对应于每个反向散射光脉冲的电流信号。在一个实施例中，光电检测器130是光电倍增管等快速响应型光电检测器。或者，光电检测器130可以是另一种类型的光电检测器，例如一个或多个雪崩光电二极管。光电检测器130可对所述反向散射光脉冲提供高增益、低噪声和高频率响应。光电检测器130能够检测甚至用小于1毫微秒区分的反向散射光脉冲，并将所述反向散射光脉冲转换成电流信号。

系统100可进一步包括与光电检测器130连接的预处理模块150。预处理模块150可包括电流放大器、信号转换器、数字转换器、峰值检测器和阈值设置模块。预处理器模块150可接收对应于光电检测器130产生的每个光脉冲的电流信号。之后，电流放大器可放大从光电检测器130接收的电流信号的振幅。此外，信号转换器可将模拟电流信号转换成相应模拟电压信号，且数字转换器将所述模拟电压信号进一步转换成数字化电压信号。峰值检测器可相应地将识别所述数字化电压信号的峰值。因此，功率可能随对应于物理结构200的各部件的距离而下降，其中光脉冲可在冲击这些部件之后从所述部件反向散射；信号的峰值检测或信号的固定阈值检测均不能单独地提供足够高的高辨率，例如达到约1毫米的级别。因此，阈值设置模块用所检测峰值来将所述数字化电压信号规格化，然后根据所检测峰值来将阈值调整为所述数字化电压信号的中值。所述阈值设置模块对每幅图像单独设置阈值。此类自适应阈值设置技术可提高每个反向散射光脉冲的飞行时间计算的精度。

此外，时钟计数器可提供每个光脉冲的精确飞行时间，其中所述光脉冲在冲击物理结构200的表面上各点之后反向散射。精确飞行时间可至少部分基于可通过阈值调整获得的一致分辨率来进行计算。通过将光脉冲扫描与反向散射光脉冲返回之间的时间计算在内，可基于光在空气中的恒定速度（299703千米/秒）来精确计算光源与物理结构200的表面上各点之间的距离。此外，系统100可包括关联模块155，其适用于将所计算的飞行时间与每个光脉冲精确关联。

光源与物理结构200的表面上所有点之间的距离可通过用扫描器120扫描光脉冲来连续获得。因此，包括在系统100中的图像发生器160可基于与每个光脉冲关联的飞行时间，连续生成物理结构200的一幅或多幅三维图像，所述三维图像具有一致分辨率。所述三维图像包括多个像素，每个像素具有反向散射光脉冲的强度值，且精确飞行时间与每个像素关联。

系统100可进一步包括与图像发生器160连接的图像比较器170。图像比较器170适用于对图像发生器160生成的三维图像进行比较。具体而言，图像比较器170可将图像发生器160生成的三维图像与处于空闲状态（良好状况）的物理结构200的三维图像进行比较。图像比较器170中可存储有物理结构200的健康状况三维图像。或者，所述健康状况三维图像可以是之前由图像发生器160形成的三维图像。图像比较器170可基于与每个光脉冲关联的飞行时间而对图像进行比较，其中图像发生器160基于所述飞行时间而生成图像。因此，可基于精确计算的飞行时间而对图像进行比较，图像比较器170可适用于确定物理结构200的结构形式中的约至少1毫米级别的位移。

系统100可进一步包括与图像比较器170连接的健康状况指示器模块180。健康状况指示器模块180基于由图像比较器170确定的物理结构200的结构形式偏移/位移，生成物理结构200的健康状况资料。所述健康状况资料可包括关于物理结构200中发生结构形式偏移的特定部分的信息。此外，所述健康状况资料包括关于物理结构200的特定部分的任何结构形式偏移程度的信息。例如，所述健康状况资料可提供关于物理结构200的特定部分上的分布应力、应变和振动条件的实时信息。所述健康状况资料可进一步指示（突出显示）物理结构200中具有需要立即检查或维修的结构形式偏移的部分。所述健康状况资料可通过字母数字显示、光谱特征变化的视觉描绘、闪光或其他此类指示方式来表示。

在本发明的一个实施例中，图像比较器170可对物理结构的图像进行实时比较。为了对图像进行实时比较，图像比较器可同时接收多幅图像，这可通过使用扫描速率在约100Hz以上的高速扫描器120来实现。此外，通过使用小于或等于约1毫微秒的短光脉冲和高速光电检测器130，其中所述高速光电检测器130能够检测甚至以小于1毫微秒进行区分的反向散射光脉冲；图像发生器160能够在相当短的时间长度内生成多幅图像。上述扫描速率和激光脉冲的实例可能为风力发电机等特定类型的物理结构200所特有，但是，所属领域的一般技术人员将认识到，可根据物理结构200的类型来视需要改变扫描速率和脉冲持续时间。

图2所示是结合风力发电机300等物理结构200来使用系统100的环境。具体而言，图2所示是根据本发明的一个实施例用于控制风力发电机300的系统100。系统100可与控制电路400（结合图3详细介绍）连接，以远程控制风力发电机300的各项参数，从而使风力发电机300能够高效运行。应了解，图2所示系统100在功能上和配置上类似于图1所示系统100。

系统100可包括光源110，其适用于产生由光束构成的短光脉冲。在一个示例性实施例中，光源110可适用于产生小于或等于约1毫微秒的光脉冲。系统100可进一步适用于扫描光束并将所扫描的光束定位到风力发电机300。在一个示例性实施例中，系统100可使用扫描速率为约2MHz的快速光束扫描器120。光脉冲可在冲击风力发电机300的表面上各点之后向系统100反向散射。系统100可接收反向散射光脉冲，且可产生对应于每个光脉冲的电流信号。之后，系统100可放大电流信号的振幅，然后将所放大的电流信号转换成模拟电压信号。此外，系统100可使用任何已知的模拟数字转换器来将所述模拟电压信号数字化。

系统100可进一步处理数字化电压信号以检测所述电压信号的峰值，从而基于所检测的峰值电压信号而调整所述电压信号的阈值。在一种实施方案中，系统100可用所检测峰值来将所述数字化电压信号规格化，然后根据所检测峰值来将阈值调整为所述数字化电压信号的中值。所述阈值设置模块对每幅图像单独设置阈值。此类自适应阈值设置技术可提高每个反向散射光脉冲的飞行时间计算的精度。

此外，如图1所示，时钟计数器可提供每个光脉冲的精确飞行时间，其中所述光脉冲在冲击物理结构的表面上各点之后反向散射。精确飞行时间可至少部分基于可通过阈值调整获得的一致分辨率来进行计算。此外，系统100可将所计算的飞行时间与每个光脉冲精确关联。

光源与物理结构的表面上所有点之间的距离可通过用高速光束扫描器120扫描光脉冲来实时获得。因此，系统100可基于与每个光脉冲关联的飞行时间，连续生成风力发电机300的一幅或多幅三维图像，所述三维图像具有一致分辨率。所述三维图像包括多个像素，每个像素具有反向散射光脉冲的强度值，且精确飞行时间与每个像素关联。

系统100可进一步将风力发电机300的三维图像与处于空闲条件（良好状况）的风力发电机300的三维图像进行比较。系统100中可存储有风力发电机300的健康状况三维图像。或者，所述健康状况三维图像可以是之前由系统100生成的三维图像。系统100可基于与每个光脉冲关联的飞行时间而对图像进行比较，其中图像基于所述飞行时间而生成。因此，图像基于精确计算的飞行时间进行比较，系统100可适用于确定风力发电机300的结构形式中的在约1毫米级别的任何位移。系统100随后可基于对风力发电机300的三维图像的比较，生成风力发电机300的健康状况资料。

系统100生成的风力发电机300的健康状况资料可包括关于风力发电机300的任何部件或部分的结构形式的位移/偏移的信息。具体而言，所述健康状况资料可提供关于风力发电机300的部件或部分上的分布应力、应变和振动条件的实时信息。例如，所述健康状况资料可包括以下信息：叶片形状、叶片位移、叶片弯曲和扭转、风力发电机塔架顶位移、针对风力发电机的一个或多个部件的应力和应变分析、风力发电机的一个或多个部件中的振动、以及机舱偏航角。所述健康状况资料可通过字母数字显示、光谱特征变化的视觉描绘、闪光或其他此类指示方式来表示。

如图2所示，控制电路400可以通信方式与系统100连接。控制电路400可适用于至少部分基于系统100生成的健康状况资料，改变风力发电机300的一项或多项参数。控制电路400将结合图3详细介绍。

图3所示原理图描绘系统100以及控制电路400的细节。控制电路400可包括优化模块402，其适用于优化风力发电机300的各项参数，从而使风力发电机300高效运行。具体而言，优化模块402适用于确定风力发电机300的各个部件的运行参数值。例如，所述运行参数值可包括（但不限于）叶片变桨、偏航角、轴转速和轴的扭矩。优化模块402适用于基于所生成的风力发电机300的健康状况资料，优化风力发电机300的各个部件的运行参数值。所生成的健康状况资料可包括关于风力发电机300的结构形式的偏移的信息。应了解，发生所述结构形式偏移的原因可能是风力发电机300的任何部件或部分上存在过度或长期应力和/或应变。优化模块402可在优化所述运行参数值的同时，考虑到风力发电机300所承受的风的气动负载。

控制电路400也可包括与优化模块402连接的参数控制模块404。参数控制模块404可接收由优化模块402确定的优化的运行参数值，以控制风力发电机300的各个部件。在一个示例性实施例中，参数控制模块404可包括各种运行参数控制器，例如，适用于控制风力发电机叶片的桨距角的变桨控制器412，适用于控制偏航角的偏航角控制器414，适用于控制风力发电机轴的转速的转速控制器416，以及适用于控制风力发电机轴的扭矩的扭矩控制器418。但是，参数控制模块404可包括其他运行参数控制器，例如温度控制器，齿轮箱啮合频率振幅控制器等。

如图3所示，风力发电机300与功率输出502关联。例如，功率输出502可以是1000kW。此外，为了获得功率输出502，可向风力发电机300提供输入参数命令504。输入参数命令504可包括理想运行参数值，所述理想运行参数值将提供给风力发电机300以获得功率输出502。例如，输入参数命令504可包括以下项的理想值：风力发电机叶片的桨距角、偏航角、风力发电机轴的转速，以及风力发电机轴的扭矩，这些理想值使风力发电机300能够产生功率输出502。应了解，输入参数命令504可根据风力发电机300所承受的各种气动负载而变化。

在操作中，输入参数命令504可向控制电路400提供理想运行参数值，从而产生功率输出502。系统100可同时监视风力发电机300，且可基于对风力发电机300的三维图像的比较而生成风力发电机300的健康状况资料。在一种情况下，当系统100可识别风力发电机300的任何部件或部分的任何结构形式偏移/位移（可以约1毫米的量级）时，系统100可生成健康状况资料。所述健康状况资料可突出显示风力发电机300的相关部分或部件的此类结构形式偏移/位移。

应了解，风力发电机300的任何部件或部分的结构形式偏移可能在以下情况下发生：风力发电机300可能遭受风的意外气动负载或意外天气条件。或者，当任何部件或部分可能容易遭受连续应力和/或应变时，此类部件或部分的结构形式偏移可能随时间的推移而产生。基于风力发电机300的此类结构形式偏移，风力发电机300可能无法产生功率输出502。因此，风力发电机300的运行参数值需要基于系统100生成的健康状况资料（风力发电机300的结构形式偏移/位移）而进行改变。

风力发电机300的部件或部分的结构形式偏移可能是暂时性偏移，其中此类部件或部分可适用于恢复初始形状。例如，当风力发电机300可能容易遭受意外气动负载时，风力发电机300中容易遭受应力和/或应变的部件或各部分可能经历结构形式方面的暂时性偏移。但是，在撤去所述意外气动负载之后，风力发电机300的部件或各部分可能恢复到初始形状。

如果风力发电机300的结构形式发生暂时性偏移，则控制电路400可改变风力发电机300的运行参数值，从而使风力发电机300高效运行。例如，结构形式偏移可能导致运行参数值变化，例如桨距角变化、偏航角变化，以及轴的转速和扭矩变化。控制电路400的优化模块402可相应地优化所改变的运行参数值。具体而言，优化模块402可将所改变的运行参数值与理想运行参数值进行比较。之后，所优化的运行参数值可由参数控制模块404接收，用于控制各种运行参数控制器，例如控制器412，偏航角控制器414，转速控制器416和扭矩控制器418。这可使风力发电机300高效运行，从而产生功率输出502。

此外，风力发电机300的部件或部分的结构形式偏移可能更加严重，导致风力发电机发生严重故障。例如，突发较大气动风负载可能导致叶片扭转、叶片尖端摆动，或者旋转平面弯曲。在此类情况下，系统100生成的健康状况资料可提供关于风力发电机300的此类结构形式偏移的信息。因此，可使用以气动方式制动的叶片和摩擦制动器等超速保护机构，以防止风力发电机300因此类较大气动风负载而损坏。

此外，风力发电机300的部件或部分的机构形式偏移可能是永久性偏移。例如，风力发电机300的任何部件或部分上的过量或长期应力和/或应变可能导致此类部件或部分弯曲或断裂。在此类情况下，系统100生成的健康状况资料提供关于风力发电机300的此类结构形式偏移的信息。因此，风力发电机300可停止运行以对风力发电机300的部件或部分进行必要检查和/或维修工作，从而防止发生故障。

在另一个实施例中，系统100可用于监视和控制风力发电机300等多个风力发电机。具体而言，系统100可用于具有多个风力发电机的风场。在此类情况下，系统100可适用于基于通过对风力发电机的三维图像进行比较而生成的健康状况资料来监视和控制多个风力发电机。应了解，系统100可与使系统100能够到达安装在风场中的多个风力发电机的驱动机构关联。

此外，所述驱动机构可以使系统100与风力发电机之间维持合适的固定距离的方式建立。一个合适的驱动机构实例可包括（但不限于）轮和导轨构形。所述驱动机构可进一步包括使系统100能够自动达到风力发电机的驱动构件。或者，系统100可与旋转机构关联，从而监视和控制多个风力发电机。所述旋转机构可促进系统100围绕特定的轴旋转。应了解，系统100可相对于风力发电机置于合适位置，以使系统100与风力发电机之间维持合适的固定距离。

现在参阅图4，其中显示根据另一个实施例的用于控制风力发电机300的实例方法1000的流程图。方法1000可基于通过对风力发电机300的高分辨率三维图像进行实时比较生成的健康状况资料而控制风力发电机300。基于健康状况资料，可改变风力发电机300的运行参数以控制风力发电机300。

在1002中，扫描的光束可发送到风力发电机300的预定俘获区域。在一个示例性实施例中，光束可包括小于或等于约1毫微秒的短光脉冲。光束可由与光源110连接的光束扫描器120进行扫描。在一个示例性实施例中，光束扫描器120可呈现出约2MHz以上的扫描速度。

在一个示例性实施例中，预定俘获区域可包括风力发电机300的整个区域。在冲击风力发电机300之后，定向的扫描光束可反向散射（反射回光束来自的方向）。

在1004中，光电检测器130可从风力发电机300接收反向散射的光束。在一个示例性实施例中，光学模块140与光电检测器130连接，且光学模块140可增强对从风力发电机300的反向散射光脉冲的收集。

在本发明的一个实施例中，光电检测器130在接收反向散射光脉冲之后，可将反向散射光脉冲能量转换成电信号，例如对应于每个光脉冲的电流信号。光电检测器130可对所述反向散射光束提供高增益、低噪声和高频率响应。光电检测器130能够检测甚至用小于1毫微秒区分的反向散射光脉冲，并将所述反向散射光脉冲能量转换成电流信号。此外，预处理模块150可放大电流信号的振幅。

在1006中，预处理模块150可将电流信号转换成模拟电压信号，然后用模拟数字转换器来将对应于所接收的每个反向散射光脉冲的电压信号数字化。

在1008中，可检测数字化电压信号的峰值，在1010中，阈值设置模块可用所检测峰值来将数字化电压信号规格化，然后根据所检测峰值将阈值调整为数字化电压信号的中值。所述阈值设置模块对每幅图像单独设置阈值。此类自适应阈值设置技术可提高每个反向散射光脉冲的飞行时间计算的精度。

在1012中，时钟计数器可提供每个光脉冲的精确飞行时间，其中所述光脉冲在冲击风力发电机300的表面上各点之后反向散射。精确飞行时间可至少部分基于可通过阈值调整获得的一致分辨率来进行计算。通过将光脉冲扫描与反向散射光脉冲返回之间的时间计算在内，可基于光在空气中的恒定速度（299703千米/秒）来精确计算光源与风力发电机300的表面上各点之间的距离。随后，在1014中，关联模块155可将精确计算的飞行时间与每个光脉冲关联。

光源与风力发电机300的表面上所有点之间的距离可通过用扫描器120扫描光脉冲来连续获得。因此，在1016中，图像发生器160可基于与每个光脉冲关联的飞行时间，连续生成风力发电机300的一幅或多幅三维图像，所述三维图像具有一致分辨率。

在1018中，图像比较器170可将所生成的风力发电机300的三维图像与处于空闲条件（良好状况）的风力发电机300的三维图像进行比较。图像比较器170可基于与每个光脉冲关联的飞行时间而对图像进行比较，其中所述图像发生器基于所述飞行时间而生成图像。因此，图像基于精确计算的飞行时间进行比较，图像比较器170可适用于确定在风力发电机300的结构形式约至少1毫米的级别的位移。

在1020中，健康状况指示器模块180可基于由图像比较器170确定的风力发电机300的结构形式偏移/位移，生成风力发电机300的健康状况资料。所述健康状况资料可包括关于风力发电机300中发生结构形式偏移/位移的特定部分的信息。此外，所述健康状况资料包括关于风力发电机300的特定部分的结构形式的偏移程度的信息。例如，健康状况资料可提供关于风力发电机300的特定部分上的分布应力、应变和振动条件的实时信息。

在1022中，控制电路400可基于所生成的风力发电机300的健康状况资料，控制风力发电机300的一项或多项运行参数值。例如，基于风力发电机300的结构形式偏移，可能导致控制电路400改变运行参数值，例如，改变桨距角、偏航角，以及轴的转速和扭矩。

Claims (10)

1.一种监视和控制物理结构的系统，包括：

光源，其适用于生成光脉冲；

光束扫描器，其与所述光源连接，其中所述光束扫描器适用于在物理结构的预定俘获区域上扫描所述光脉冲；

光电检测器，其适用于从所述物理结构接收反向散射光脉冲，且其中所述光电检测器适用于提供对应于所述光脉冲中的每个光脉冲的信号；

预处理模块，其适用于基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值；

关联模块，其适用于将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联；

图像发生器，其适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而生成所述物理结构的图像；

将所生成图像与所述物理结构的至少一幅已知图像进行比较的图像比较器，其中所述图像比较器适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而对所述图像进行比较；以及

健康状况指示器模块，用以至少部分基于所述比较而生成所述物理结构的健康状况资料。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源是适用于生成激光脉冲的激光源。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述预处理模块包括：

适用于放大从所述光电检测器接收的电流信号的振幅的电流放大器；

适用于将所放大的电流信号转换成模拟电压信号的信号转换器；

适用于将所述模拟电压信号数字化的数字转换器；

适用于检测数字化电压信号的峰值的峰值检测器；以及

阈值设置模块，其适用于用所述电压信号的所检测峰值来将数字化信号规格化，并根据所检测峰值来将阈值调整为规格化的数字化电压信号的中值。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述物理结构包括以下项中的至少一项：风力发电机、塔架、地面结构和空中结构。

5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括与所述光电检测器关联的光学模块，其中所述光学模块增强对反向散射光脉冲的收集。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述图像比较器适用于基于在所述图像中对关联的所接收光脉冲的飞行时间进行比较，以确定所述物理结构中的至少1毫米级别的位移。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述飞行时间是所述光脉冲从所述光源产生与所述光脉冲为所述光电检测器接收之间的精确时间。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述图像比较器适用于对所述图像进行实时比较。

9.一种控制风力发电机的系统，所述系统包括：

光源，其适用于生成光脉冲；

光束扫描器，其与所述光源连接，其中所述光束扫描器适用于在所述风力发电机的预定俘获区域上扫描所述光脉冲；

光电检测器，其适用于从所述风力发电机接收反向散射光脉冲，且其中所述光电检测器适用于提供对应于所述光脉冲中的每个光脉冲的信号；

预处理模块，其适用于基于所述信号的所检测峰值的规格化值而调整所述信号的阈值；

关联模块，其适用于将飞行时间与所接收的反向散射光脉冲中的每个光脉冲关联；

图像发生器，其适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而生成所述风力发电机的图像；

将所生成的所述风力发电机的图像与所述风力发电机的至少一幅已知图像进行比较的图像比较器，其中所述图像比较器适用于基于与所接收光脉冲中的每个光脉冲关联的所述飞行时间而对所述图像进行比较；

健康状况指示器模块，用以至少部分基于所述比较而生成所述风力发电机的健康状况资料；以及

控制单元，其适用于至少部分基于所述风力发电机的所述健康状况资料而改变所述风力发电机的一项或多项参数。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述预处理模块包括：

适用于放大从所述光电检测器接收的电流信号的振幅的电流放大器；

适用于将所放大的电流信号转换成模拟电压信号的信号转换器；

适用于将所述模拟电压信号数字化的数字转换器；

适用于检测数字化电压信号的峰值的峰值检测器；以及

阈值设置模块，其适用于用所述电压信号的所检测峰值来将数字化信号规格化，并根据所检测峰值来将阈值调整为规格化的数字化电压信号的中值。

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