CN107064554A - 用于测量风速的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备，其包括：用于发射称之为发射光束的激光束的部件（12）；用于以预定焦距（D）聚焦发射光束的部件（16）；用于接收被空气中的粒子（18）反射后的发射光束称之为反射光束的部件（20）；用于传输信号的部件（32），由其将发射光束和反射光束间形成干涉的信号传输至信号处理部件（24），由此推断出粒子的速度。发射部件（12）包括激光二极管，接收部件（20）通过自混合与激光二极管组合在一起。焦距（D）为5厘米至2米。

Description

用于测量风速的设备
本发明涉及风测量的领域，尤其是在利用激光的情况下。
使用LIDAR（Light Detection And Ranging＝光探测和测距）系统的现有技术风速计都是已知的，具体详见WO 2009/046717。该设备发出激光光束，由光学系统在几十米的焦距处来聚焦该激光束，其目标是一个空气中的粒子在其中被风吹散的测量区。这些粒子反射所接收到的光，并朝光学系统的方向发出光束，称之为反射光束。LIDAR接收被粒子反射的光束，然后处理发射光束和反射光束间所形成的干涉，从而推断出粒子的速度，因为发射光束和反射光束之间的频移由于多普勒效应而取决于该速度。
制造此类发出激光束的设备的所需代价非常高。
本发明的一个目的是提出一种低成本的风速测量设备。
鉴于此目的，本发明的一个目标是一种风速测量设备，包括：
- 一种发射部件，用于发出称之为发射光束的激光束，
- 一种聚焦部件，用于在预定焦距处聚焦发射光束，
- 一种接收部件，用于接收被空气中粒子反射后的发射光束，称之为反射光束，
- 一种传输信号部件，用于传输在发射光束和反射光束间形成干涉的信号发送至信号处理部件，以便推断出粒子速度，
其中，发射部件包括激光二极管，接收部件通过自混合与激光二极管组合在一起，焦距为5cm（厘米）至2m（米）。
通过使用激光二极管，能够获得更为经济的测量风速的设备。另外，通过自混合实现反射光束的接收，这是特别吸引人的。自混合也称之为腔内光反馈，并相当于将反射光束作为激光二极管所发出的光束重新输入同一腔体内的设备。通常，用于接收反射光束的部件包括光电二极管，设置在紧挨着激光二极管的后面，并且干涉在激光腔内直接产生然后由光电二极管接收。通过自混合与激光二极管组合在一起的接收部件提供干涉信号的光放大。自混合的使用是有益的，因为激光二极管和光电二极管都是十分廉价便宜的，而且不需要在激光的位置之外设置单独的检测器以及仅仅只接收在反射光束被干涉仪所重新定向后的反射光束。因此，使用紧挨二极管后所设置的光电二极管，而且无需管理与干涉仪相关的对齐问题。该设备还特别紧凑，因为反射光束回到激光二极管的腔体内。这与反射所接收光束的干涉仪的情况有很大的区别，例如，以相对于发射光束的90°角度来反射所接收的光束，这需要在距离激光器的一定距离处设置检测器，因此会占据空间。于是，所提出设备的体积大约为边长为1厘米的立方体，若设备包括信号处理部件，则为边长为10至20厘米的立方体，而装备LIDAR的设备的体积通常大约为边长为50厘米的立方体，重约50kg（公斤）。
值得注意的是，被设备反射光的粒子是空气中的粒子，通常称之为尘埃粒子。这些粒子的直径通常为0.1µm（微米）至10µm。当反射发射光束时所发生的散射是米氏（Mie）散射，相对于适用于分子量级的瑞利散射，米氏（Mie）散射更适用于粒子尺寸。例如，粒子可以是含碳的粒子或离子。
空气中的这些粒子的密度很低，所以很难得到用于分析干涉的连续信号。一般来说，焦距的距离越大，测量越好，因为该设备的存在对空气流动的影响甚微。
另外，包含激光的风速计通常在几十米的距离处聚焦，而发明人产生的想法是以更短的距离进行聚焦，并观察例如聚焦距离为5cm至2m所得到的具有足够强度的足够周期信号，经过处理后提供风速。然而，值得注意的是，该信号是偶然的。
通过提供5cm至2m的焦距，恰当使用自混合现象来测量风速是成功的。通过以更短距离的聚焦，收集更多被粒子反射后的光。于是，所接收到的信号功率可大于来自激光二极管的噪音所产生的功率，使得该设备产生令人满意的效果。此外，使用大于5cm的焦距，以便在聚焦区内的空气流动不因设备的存在而受影响。
值得注意的是，聚焦发射光束的部件朝预定的焦点容积聚焦。该容积对于信号至少每隔几秒就被一个或多个粒子反射来说是足够大的，而且对于来自激光束的光的充分集中来说是足够小的。该设备适合于处理被直径在0.1至10µm之间的粒子所反射的光束，例如含碳粒子或离子。
该设备还可包括如下特点中的一个或多个。
- 信号传输部件是电子的。它包括传输板，其由焊有电子元器件的印刷电路构成，以便作为在设备的接收部件和信号处理部件之间的接口。值得注意的是，该传输板可以特殊方式配置的，能够传输在发射光束和反射光束之间产生干涉的可处理信号。尤其是，该板的结构使得噪声相对较低，因为粒子反射的信号是间歇的而且相对微弱。
- 信号传输部件包括电子放大部件，以提供干涉信号的电子放大。该放大特别有用，因为信号是间歇的而且相对微弱。
- 激光二极管是以单纵模发射的二极管。所以，与具有高功率和多模的二极管相比，更容易处理信号。例如，激光二极管可以是法布里-泊罗（Fabry-Perot）的二极管。
-信号处理部件构成用于选择所接收到的信号中的部分信号，即幅度或功率超过对应于无风处测量所得到的信号的幅度或功率的阈值的部分。只选择所接收信号中的部分信号是特别有益的。由粒子所产生的干涉信号是偶然的，因此有利于只选择信号中具有一定幅度或功率与实际干涉相对应的部分。不是使用不加预选地所接收到的全部信号，而是我们建议只处理信号与峰值相对应的部分部分并仅通过该部分信号来推断风速。值得注意的是，信号处理部件进行选择有可能在对所接收到的信号进行预处理之后。例如，首先可对接收到的信号进行傅立叶变换，然后可以对由该变换所产生的信号进行选择。此类选择可包括选择幅度或功率大于对应于无风处所测量得到信号的傅立叶变换的幅度或功率的阈值的变换的部分。
-信号处理部件包括用于检测峰值的部件，用于记录在峰值附近的一个时段内的信号的部件以及用于对信号进行傅立叶变换的部件。由于信号是偶然的，所以对整个信号进行傅立叶变换更难实施。通过只对信号的指定部分进行变换，其结果特别符合测量风速的要求。
-记录信号的时段是在峰值附近的50至300µs（微秒）。
-傅立叶变换在0至1GHz的频率范围内进行。
-激光二极管发出的光的波长大约为780nm（纳米）。但也可考虑其它的波长。
-激光二极管的功率是0至50mW（毫瓦特）之间，最好是0至30mW之间。
-傅立叶变换在小于200µs（微秒）的时段内进行。
-设备由光伏能源驱动。上述设备需要很少能量，仅几瓦特（W），所以可用光伏电池操作该设备，例如提供10W功率的电池。这是特别吸引人的电源类型，因为风速计放在户外，所以可得到太阳能，而且无需安装电缆为该设备提供能源。值得注意的是，电源未必是设备的一部分。另外，该设备可由其它方式驱动，例如蓄电池。
-除粒子速度外，信号处理部件还能够提供空气中粒子的数量。比如，可以通过这种方式确定大气污染的量。
-该设备包括三个激光二极管，以发出三个非共面激光束的方式排列。由此可以得到非常精确的三维空间内风速的测量，因为各个激光二极管允许获取一个方向的风分量，而且三个方向不是共面的。换言之，因为一个激光二极管允许以一个方向测速，所以风速可以一个方向（用一个二极管）、一个平面（用两个二极管）或一个三维空间（用三个二极管）来测量。
-该设备包括处理部件，用以处理来自发射光束和反射光束间所产生的干涉的信号。在这种情况下，处理部件是该设备的一部分。
本发明的另一个目标是一种风速测量系统，包括上述设备以及处理来自发射光束和反射光束间所产生的干涉的信号的处理部件。在这种情况下，该处理部件离该设备有一定距离。
参考附图，阅读以下仅作为实例所提供的说明能更好地理解本发明，附图包括：
-图1是表示风速测量设备的实例的示意图；以及，
-图2是说明反射激光的空气粒子的粒径分布的实例的图表。
图1展示了一种风速测量设备10。
设备10包括激光束发射部件12。该部件12包括激光二极管，例如法布里-泊罗二极管，在这个实例中以785nm波长的单纵模方式发射。但也可以使用其它波长。在这个实例中，激光二极管12的功率是在0至30mW之间。该激光二极管12包括一个光学腔体14，用于放大所发出的激光。设备10还包括聚焦部件16，用于聚焦光电二极管12所发出的光束使之朝焦点容积18聚焦。焦点容积18或有效容积离聚焦部件16的距离为D，该距离D与设备的焦距相对应。焦距D是5cm至2m。
设备10还包括用于接收反射光束的部件20。更具体地说，该部件20构成用于接收由二极管12发出、在被焦点容积18内的空气中的粒子（例如，含碳的粒子或离子）反射之后的光束。如图2所示，在这个实例中，粒子尺寸为十分之几的微米，在0.1至5微米之间。
接收部件20包括光电二极管，设置成紧挨着激光二极管12的后面且通过自混合与激光二极管12组合在一起，这意味着将光束反射回到光学腔体14中，从而在发射光束和反射光束间形成干涉。
设备10还包括传输部件2，它将干涉信号传输至信号的处理部件24，以便能够从该信号推断出反射发射光束的粒子或粒子群的速度。传输部件22是电子的，它包括电子放大部件，用于以电子方式放大干涉信号。例如，传输部件包括传输板，它由焊有包括运算放大器的电子元器件的印刷电路所构成。信号处理部件24对所接收到的信号进行一次或多次傅立叶变换，以便提供关于风速的信息。在该实例中，部件24远离设备10，但是也可以将其与设备10集成在一起。
更具体地说，将信号处理部件24构成可以选择传输部件22来接收到的信号中的一部分信号，这部分信号与幅度或功率大于预定阈值的信号部分相对应。预定阈值与传输部件22在无风处测量后所接收到的信号的幅度或功率相对应。换言之，该预定阈值具有设备10平均噪音的特点。然后，在计算风速测量时，从接收到的信号中消除该噪音。信号处理部件24还包括峰值检测部件和记录部件，用于记录所接收到的信号。该记录部件构成记录在所检测到的峰值附近时段内的信号。该时段是在峰值附近的50至300µs之间，例如90µs，这就意味着在检测峰值之前的45µs开始和在检测峰值之后的45µs停止。事实上，进入光束中的粒子产生由粒子和光束之间交叉作用时间所确定时段的瞬时正弦信号。该持续时间通常在50µs至300µs之间。
信号处理部件24包括用于对记录的信号进行一次或多次傅立叶变换的部件。傅立叶变换在0至1千兆赫之间的频率范围内进行，时间时段小于200µs。
在该实例中，信号处理部件24还能够提供空气中的粒子的数量，其允许推断出焦点容积18附近的大气污染。
设备10还包括电源26，可以采用光伏电池形式或任何允许激光二极管12运行操作的其它类型电源。
现在说明设备10的操作。
为了测量风速，激光二极管12发出光束，称之为发射光束，它离开腔体14后进入光学系统16，并随后聚焦于焦点容积18。空气在该焦点容积18内流通，所以粒子也是如此。焦点容积18具有足够的尺寸来确保至少一个粒子以间隙时间方式（例如，至少每秒）在该容积内，而且能够反射所发射的激光光束。在被至少一个粒子反射后，反射光束通过光学系统16返回，穿过腔体14，并被光电二极管20接收。因此，在光学腔体14内，在二极管12发射的光束和粒子反射的光束之间产生干涉。此外，光电二极管20接收干涉信号，随后，由传输部件22将干涉信号传输至处理部件24。值得注意的是，在信号传输至处理部件24之前进行电子放大。部件24处理所接收到的信号，以推断出反射光束的粒子和粒子群的速度。因为风的作用，在容积18内的粒子相对接收器20而移动，由于多普勒效应，使得反射光束的频率相对发射光束的频率而变化。此外，频率变化也可以通过干涉信号推断出来，从而推断出相对于接收器20在X方向上的粒子速度分量。
更具体地说，使用干涉信号，首先，通过消除接收信号中的幅度或功率小于与设备10噪音相对应的阈值的那部分信号来选择一部分信号，其阈值取决于无风处的测量。然后，检测在所选择信号中的峰值，并记录该时段的信号，例如，记录在包括峰值之前的45µs和峰值之后的45µs的时段内的信号。接着，对持续时段小于200µs的信号进行一次或多次傅立叶变换。可以通过傅立叶变换推断出发射光束和反射光束之间的频率变化，以及推断出X方向上的速度分量。
这是一种风速测量设备10，其具有廉价和占据很小空间的优点。另外，因为不需要与干涉仪对齐，所以设备10易于使用。
本发明不限于上述实施例。
尤其是，为了获取更精确的风速测量值，设备10可包括三个激光二极管12，各自以非共面方向发射光束。
在所述实例中，处理部件24距离设备10有一段距离。然而，处理部件24可容易地成为设备10的一部分，比如，以电子芯片与设备10集成在一起，构成将信息传输至远离设备10的记录器。

Claims (11)

1.风速测量设备（10），包括
一种发射部件（12），用于发射称之为发射光束的激光束，
一种聚焦部件（16），用于在预定焦距（D）上聚焦发射光束，
一种接收部件（20），用于接收被空气中的粒子（18）反射后的发射光束称之为反射光束，
一种用于传输信号的部件（22），将发射光束和反射光束间形成干涉的信号传输至信号处理部件（24），以便推断出粒子的速度，信号处理部件（24）构成选择所接收到的信号中的一部分，即幅度或功率超过与在无风处测量所得到的信号的幅度或功率相对应阈值的部分，
其中，发射部件包括激光二极管（12）以及接收部件（20）通过自混合与激光二极管组合在一起，焦距距离（D）在5cm至2m之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述激光二极管（12）是采用单纵模发射的二极管。
3.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述信号处理部件（24）所进行的选择在所接收信号的先前处理之后进行，比如，在对接收信号进行傅立叶变换之后进行。
4.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述信号传输部件（22）是电子的并包括传输板。
5.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述信号传输部件（22）包括电子放大部件，用于电子放大干涉信号。
6.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述信号处理部件（24）包括用于检测峰值的部件（24），记录峰值附近时段内信号的部件（24），以及对该信号进行傅立叶变换的部件（24）。
7.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述记录信号的时段是在峰值附近50至300µs之间。
8.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述激光二极管（12）的功率是在0至50mW之间，最佳是在0至30mW之间。
9.根据上述权利要求中任一项所述的设备，由光伏能源（26）驱动。
10.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述信号处理部件（24）除了能够提供粒子速度外，还能够提供空气中的粒子（18）的数量。
11.根据上述权利要求中任一项所述的设备，包括三个以发射三个非共面激光束的方式排列的激光二极管（12）。
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