CN105759072B - 光学式测风系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学式测风系统，包含一光源、一透镜单元、一感测单元及一处理单元；光源用以发射连续波激光光；透镜单元为单镜单视野，透镜单元具有相对的一第一侧与一第二侧，连续波激光由第一侧射入透镜单元，于第二侧形成一扩束的连续波激光，扩束的连续波激光聚焦于一检测位置并回传一回波信号；感测单元设置于透镜单元的第一侧，上述回波信号通过透镜单元投影至感测单元并产生一电压信号；处理单元耦接于感测单元，由处理单元根据电压信号的电压变化而计算一目标物的走向。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学式测风系统，尤其涉及一种以连续波激光搭配光学聚焦系统取代同调脉冲激光、以电压检测取代傅立叶频谱分析、以单镜单视野与光电阵列的组合取代多轴扫描系统及单镜单视野以形成一极小的观测区而可避免宽视野在复杂地形区域的误差的光学式测风系统。
背景技术
传统风机是以尾置风速风向计进行测风，以控制风机指向。近年来，有利用激光进行测风，然现有激光测风系统的问题主要包含系统复杂、单价极高及需有宽视野。
针对系统复杂与单价极高部份，请参阅图1所示，现有测风系统采用立体扫描，其检测范围呈现一锥形体，如图1虚线区域所示，锥形体会随着距离而急速扩张，于复杂地形环境容易受到地形阻挡，而在多塔架风机环境则容易受到其他风机阻挡，皆会影响检测结果。此外，现有测风系统属干涉放大架构，在都卜勒激光测风技术出现之后，将激光设置于机舱上，可量测风机前缘数百公尺处的风场，有效避免叶片流场的干扰。但是都卜勒系统需使用脉冲式同调(coherence)激光，同时系统需即时进行傅立叶运算，其频谱技术需使用高速傅立叶转换，而数据检测/分析需使用高速运算主机，高运算需求、高功率消耗、高耗材成本，整体设备非常复杂，且单价极高，约需25000～35000欧元，且寿命短，一般不高于三年。因此无法普遍于风机配置。
其次，针对需有宽视野部份，由于都卜勒系统是在激光路径上量测风速分量，对于风向的检测需以不同夹角的激光指向以获得风的方向，因此这个夹角越大越好。但是如此在数百公尺外会形成一个很宽的观测区，在有地形效应的地方，会有方位误判的潜在问题。
此外，现有测风系统是以风速量测为优先。例如已知一种风速检测系统，该系统未设置聚焦装置，且其使用分轴发射/接收，因此需要特定的交会位置，此外，该系统未使用单一光路，照明区域与强度无法校正，因此必须使用峰值检测(peak detection)，但如此可能会检测到独立事件，影响检测的准确度。
据此，相关技术领域人士亟需一种「简化激光源、简化运算、简化观测区且具有窄视野」的光学式测风系统，以解决现有相关问题，并可增加测风市场竞争力效果。
发明内容
在一实施例中，本发明提出一种光学式测风系统，包含一光源、一透镜单元、一感测单元及一处理单元；光源用以发射连续波激光光；透镜单元为单镜单视野，透镜单元具有相对的一第一侧与一第二侧，连续波激光由第一侧射入透镜单元，于第二侧形成一扩束的连续波激光，扩束的连续波激光光聚焦于一检测位置并回传一回波信号；感测单元设置于透镜单元的第一侧，上述回波信号通过透镜单元投影至感测单元并产生电压信号；处理单元耦接于感测单元，由处理单元根据电压信号的电压变化而计算一目标物的走向。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为现有风机的测风系统；
图2为本发明的一实施例的架构示意图；
图3为本发明进行测风的流程示意图；
图4为本发明的回波信号于感测单元成像的示意图。
其中，附图标记
100-光学式测风系统
10-光源
200-目标物
20-透镜单元
21-第一侧
22-第二侧
23-观测区
30-感测单元
31-成像面
40-处理单元
4A、4B、4C-影像变化
L10-连续波激光
L20-扩束的连续波激光
P-检测位置
S-回波信号
W-宽度
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参阅图2及图3所示实施例，本发明的一种光学式测风系统100，包含一光源10、一透镜单元20、一感测单元30及一处理单元40。
光源10可发射一连续波激光，例如，可采用激光半导体作为光源10，用以发射出非同调连续波的连续波激光L10。
透镜单元20为单镜单视野，透镜单元20具有相对的一第一侧21与一第二侧22，连续波激光光L10由第一侧21射入透镜单元，于第二侧22形成一扩束的连续波激光L20，该扩束的连续波激光L20可聚焦于一检测位置P并回传一回波信号S。检测位置P可依所需而设定，例如，变换具有不同焦距的透镜，即可不同的检测位置P，例如300公尺或其他距离，或可使用变焦透镜，以变换不同的聚焦位置。其次，扩束的连续波激光L20可于第二侧22形成一极小的观测区23，观测区23的宽度W约位于5～30公分的范围，相较于现有呈锥形外扩的观测区，本发明以单光束、单视野形成一极小的观测区，可避免被其他风机或地形的干扰。而当回传回波信号S时，回波信号S先通过透镜单元20，再投影至感测单元30。
感测单元30具有一成像面31，回波信号S投影于成像面31并产生一电压信号，而电压信号的强弱会依位于检测位置P的空间物件的变化而不同。就大气环境而言，其含有各种物质，例如气团、水雾，细至气团中的粒子，以下统称为目标物200。请参阅图2所示，目标物200随空气飘动，当目标物200飘至扩束的连续波激光L20的照射范围且扩束的连续波激光光L20照射到目标物200时，回波信号会增强，亦即电压较强，而当目标物200继续飘动并脱离扩束的连续波激光L20的照射范围后，扩束的连续波激光L20照射到大气环境中不具有目标物200的区域时，回波信号则会减弱，亦即电压较低，因此可于感测单元30形成明暗不同的影像。
请参阅3及图4所示，处理单元40耦接于感测单元30，可由处理单元40根据于一段时间内的电压信号的电压变化而计算目标物200的走向。图4显示于时间大约为5秒、9秒及20秒左右时，分别有一目标物进入检测位置，因此导致电压信号出现影像变化4A、4B、4C，影像变化4A、4B、4C的矩形格分别代表扩束的连续波激光光L20照射到目标物200时所形成的影像。就影像变化4A而言，该矩形格代表目标物200于大约19秒时进入检测位置P，于大约21秒时离开检测位置P，然其距离始终维持于大约1.5公里，并未产生偏移，代表风机的朝向与风向一致，影像变化4B同理。而就影像变化4C而言，该矩形格代表目标物200于大约7秒时进入检测位置P，于大约11秒时离开检测位置P，而其距离由大约2.3公里偏移至2.2公里，代表风机的朝向与风向不一致。油处理单元40计算电压信号的二电压变化的时间差，及可推求目标物200的走向。处理单元40可采用可程序控制(PLC控制)，以扩束的连续波激光光L20对目标物200的回波信号S剖面进行追踪，并以电压差分及电压检测进行运算，从而获得目标物200的移动方向与速度。感测单元30的形式不限，例如可采用光电阵列，且可于成像面31以光电阵列区别左右像位置，以形成左右两个观测区，藉此辨识目标物200的左右侧。此外，可设定处理单元40撷取电压信号的时间段。
综上所述，本发明所提供的光学式测风系统，以连续波激光搭配光学聚焦系统取代同调脉冲激光、以电压检测取代傅立叶频谱分析、以单镜单视野与光电阵列的组合取代多轴扫描系统及单镜单视野以形成一极小的观测区，无须使用立体扫描，空间投影(footprint)近乎一致，因而可避免宽视野在复杂地形区域的误差，可在多塔架风机与复杂地形环境使用，无须频谱技术，没有高速运算需求，数据检测可以简化为电位检测，DSP/嵌入式系统即可胜任运算量。经验证，以本发明的架构可达成单一测点(500～1500公尺@5mW)，数据传输率(data rate)少于五秒，角解析度(水平)约为1度，风速误差小于0.5公尺/秒(m/s)，造价低于新台币45万元(约合11000欧元)。据此可知，本发明确具有可达成「简化激光源、简化运算、简化观测区且具有窄视野」的作用，可解决现有测风系统复杂、单价极高及需有宽视野问题，可降低测风系统单价成本、系统复杂度以及方位误判，进而提高市场竞争力。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种光学式测风系统，其特征在于，包含有：
一光源，用以发射连续波激光；
一透镜单元，该透镜单元具有相对的一第一侧与一第二侧，该连续波激光由该第一侧射入该透镜单元，于该第二侧形成一扩束的连续波激光，扩束的连续波激光聚焦于一检测位置并回传一回波信号，该扩束的连续波激光可于该第二侧形成一极小的观测区，该观测区具有一宽度，该宽度位于5～30cm的范围；
一感测单元，设置于该透镜单元的该第一侧，上述回波信号通过该透镜单元投影至该感测单元并产生一电压信号；以及
一处理单元，耦接于该感测单元，由该处理单元根据该电压信号的电压变化而计算一目标物的走向。
2.根据权利要求1所述的光学式测风系统，其特征在于，该感测单元为光电阵列，该光电阵列具有一成像面，该回波信号投影于该成像面。
3.根据权利要求2所述的光学式测风系统，其特征在于，以该光电阵列区别左右像位置，以形成左右两个观测区。
4.根据权利要求1所述的光学式测风系统，其特征在于，该处理单元计算该电压信号的二电压变化的时间差，以推求该目标物的走向。
5.根据权利要求1所述的光学式测风系统，其特征在于，该处理单元采用可程序控制，以该连续波激光对该目标物的回波信号剖面进行追踪，并以电压差分及电压检测进行运算，从而获得该目标物的移动方向与速度。
6.根据权利要求1所述的光学式测风系统，其特征在于，该光源为激光半导体，用以发射出非同调的连续波激光。
7.根据权利要求1所述的光学式测风系统，其特征在于，该目标物为气团、水雾或气团中的粒子。
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