CN108717195B - 一种相干多普勒测风激光雷达系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种相干多普勒测风激光雷达系统，包括激光光源、分光器件、聚焦透镜和光电探测器，其中所述系统还包括变焦准直透镜组和光束旋转镜头，所述光束旋转镜头由两枚楔形棱镜构成。本申请还提供一种用于如上所述的相干多普勒测风激光雷达系统的控制方法，所述方法包括同步锁相算法。本申请还提供一种用于如上所述的相干多普勒测风激光雷达系统在测量风场分布中的应用。本申请的有益效果在于测风激光雷达系统结构简单，稳定可靠，可实现测风距离和扫描角度的实时改变，并可在不同测试条件下有效提高测量信噪比，同时延长系统使用寿命。

Description

一种相干多普勒测风激光雷达系统及其控制方法
技术领域
本申请涉及一种激光雷达探测技术，具体涉及一种相干多普勒测风激光雷达系统及其控制方法。
背景技术
相干激光雷达是测量风场分布的有效手段。利用激光的多普勒效应，测量激光在大气中传播时，受到空气中的灰尘、水滴等悬浮颗粒后向散射产生的多普勒频移，能够测量和推算空间风速的分布情况。
对于风向及风速的及时预测，可以传递给风机的控制系统以对风机位置进行相应的调整，风机可以更有效地利用风能并高效地产出能源。根据不同的风况调整风机的状态，在达到最大能源输出效率的同时，可以最大限度地降低动态载荷。
连续波(CW)相干激光雷达是测量风场分布的经济且可靠的手段，具有较高的探测灵敏度，较高的时空分辨率，并有很强的晴空探测能力，可实现对大气三维风场的准确探测，已经在气象、民航、军事等方面得到了广泛应用。但是，在使用现有的相干多普勒激光雷达系统测量风速时，存在以下几个问题：
1、相干激光雷达系统的探测目标为空气中的悬浮颗粒，而回波信号的强度和多普勒频移随目标的距离、径向运动速度以及天气情况等的不同会产生明显差异，因此需要在不同的背景条件下实现对运动目标多普勒信号的高灵敏度探测，并保证探测信号的信噪比，获取准确的测风数据。
2、测量空域的风场分布时，需要用激光器对空间进行扫描。目前难以实现对指定距离、锥角上任意点的扫描，并在保证恒定的扫描频率下延长机械运动部件的寿命，提高激光雷达系统的稳定性和可靠性。
为此，本领域迫切需要开发一种测量准确、高可靠性的相干多普勒测风激光雷达系统及其控制方法。
发明内容
针对现有连续波相干多普勒雷达测量系统的问题，本申请提出了一种相干多普勒雷达变焦旋转系统，结构简单，稳定可靠，可实现测风距离和扫描角度的实时改变，并可在不同测试条件下有效提高测量信噪比，同时延长系统使用寿命。
本申请之目的还在于提供一种相干多普勒雷达变焦旋转系统的控制方法。
为了解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种相干多普勒测风激光雷达系统，包括激光光源、分光器件、聚焦透镜和光电探测器，其中所述系统还包括变焦准直透镜组和光束旋转镜头，所述光束旋转镜头由两枚楔形棱镜构成。
在第一方面的一种实施方式中，所述变焦准直透镜组由两块非球面透镜组成，且其中一块非球面透镜构造成能相对于另一块非球面透镜沿着光轴方向移动。
在第一方面的另一种实施方式中，所述两枚楔形棱镜都包括位置编码器。
在第一方面的另一种实施方式中，所述相干多普勒测风激光雷达系统整体安装在风机轮毂内部，且跟随轮毂同步旋转。
在第一方面的另一种实施方式中，激光雷达自身包含旋转扫面机构，保证获取风轮前方风速的数据刷新速率满足1Hz～100Hz要求。
在第一方面的另一种实施方式中，还包括用于获取雷达实时工作状态信息的传感器。
在第一方面的另一种实施方式中，所述传感器包括下述中的一种或几种：编码器、加速度传感器、重力传感器和地磁传感器。
在第二方面中，本申请提供一种用于如第一方面所述的相干多普勒测风激光雷达系统的控制方法，所述方法包括同步锁相算法，所述同步锁相算法包括下述步骤：
(1)通过九轴传感器读取旋转轴；
(2)将三维数据加速度数据映射到垂直于旋转轴的平面；
(3)将静止时加速度映射到垂直于旋转轴的平面；
(4)计算静态时加速度和动态时加速度的角度差；和
(5)通过低通滤波更新棱镜旋转角。
在第二方面的一种实施方式中，通过调节光束旋转镜头的棱镜旋转速度，保持测风扫描速度恒定。
在第二方面的另一种实施方式中，当检测到风机风轮停止旋转时，旋转透镜也停止工作，并将锥角归零，使雷达直视风轮前方。
在第三方面中，本申请提供一种如第一方面所述的相干多普勒测风激光雷达系统在测量风场分布中的应用。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于
(1)本发明提出的相干多普勒测风雷达系统，结构简单，可靠性高，可安装在风机轮毂内，解决了激光雷达受叶片遮挡对测风产生的影响，保证信号获取率；
(2)变焦系统使雷达可测量不同距离的风速，并根据实时信号质量，自动调节聚焦距离，提高信号信噪比；
(3)旋转系统可以任意改变扫描锥角，并根据获取的风轮转速信息，通过同步锁相算法保持测风扫描速度恒定，降低旋转速度，提高运动部件使用寿命；及
(4)系统体积紧凑，实施成本低，易于安装与维护。
附图说明
图1为本发明示例性实施例的相干多普勒测风激光雷达系统示意图；
图2为本发明中的相干多普勒测风激光雷达系统中光束旋转镜头的光学结构图；
图3为本发明中的相干多普勒测风激光雷达系统中光束旋转镜头的计算公式示意图；
图4为本发明中的聚焦距离远近情况下信号信噪比对比图；
图5为本发明中的相干多普勒测风激光雷达系统的安装及工作示意图；
图6为本发明中的相干多普勒测风激光雷达系统中的同步锁相算法框图。
具体实施方式
下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。
相干激光雷达是测量风场分布的有效手段，但相干激光雷达系统的探测目标为空气中的悬浮颗粒，而回波信号的强度和多普勒频移随目标的距离、径向运动速度以及天气情况等的不同会产生明显差异。此外，测量空域的风场分布时，需要用激光器对空间进行扫描，目前尚难以实现对指定距离、锥角上任意点的扫描，并在保证恒定的扫描频率下延长机械运动部件的寿命，提高激光雷达系统的稳定性和可靠性。
本申请之目的在于提供一种相干多普勒雷达变焦旋转系统，结构简单，稳定可靠，可实现测风距离和扫描角度的实时改变，并可在不同测试条件下有效提高测量信噪比，同时延长系统使用寿命。
在一种实施方式中，本发明提供一种相干多普勒测风激光雷达系统。参考图1，图1为本发明示例性实施例的相干多普勒测风激光雷达系统示意图。如图1所示，该系统包括激光光源1、分光器件2、变焦准直透镜组(3和4)、光束旋转镜头(5和6)、聚焦透镜(7)和光电探测器8。
在本文所述的相干多普勒测风激光雷达系统中，所述激光光源1发射线性偏振、高功率、窄线宽的高质量激光光束，以满足相干探测的要求。分光器件2使得入射激光几乎无损耗的通过并到达变焦准直镜组，变焦准直镜组以及光束旋转镜头将所接收到的激光投射至所述变焦准直镜组的当前焦长所对应的视场范围内。激光与大气中的气溶胶等微粒相互作用产生后向散射，背散射光被光束旋转镜头和变焦透镜组接收，被分光器件反射到聚焦透镜上，通过聚焦透镜汇聚后的光束进入光电探测器的接收区域以产生差频信号。
在一种具体实施方式中，变焦透镜组由两块非球面透镜(3和4)组成，其中一块非球面镜(3)由步进电机带动进行前后运动从而实现焦距的自由改变。光束的聚焦距离会明显的影响背散射光的接收效率，从而对测量信噪比产生显著的影响。在晴朗天气下，由于空气中气溶胶等悬浮粒子浓度下降，导致信噪比下降，此时拉近焦距提高信噪比，通过这种方法可以保证在各种情况下能准确的获取风机前方的风速信息。另外，将焦距调整为无穷大，可对测风雷达的底噪水平进行现场校正。
参考图4，图4中的图(a)显示近焦距下能探测到的信号，而图(b)显示在远焦距下能探测到的信号。图4表明与远焦距相比，近焦距的信号强度增加，信噪比也提高。
在一种具体实施方式中，光束旋转镜头由两枚楔形棱镜(5和6)构成。棱镜利用了光学折射原理，通过不同的组合方式可以控制光束的指向方向。例如Risley棱镜，通过两棱镜在同一转轴上的相对旋转，可以改变光的传播方向，实现光束或视轴的指向调整。如图2所示，两枚楔形棱镜相邻排列在同一转轴上，并各自由电机驱动绕轴旋转，转速可任意独立调节。工作时，光束从转轴方向平行入射，经过两棱镜时，由于折射，光束传播方向发生改变，通过改变两棱镜的相对角度，可以实现扫描锥角在一定范围内的任意调整。
参见图3，光束的偏转角计算方式如下：两棱镜楔角很小，光束在棱镜主截面内偏转一定的角度，该系统对入射光束的总偏转角度就是两棱镜偏转角度的矢量和。经过两个棱镜后的光束在两个方向上的偏转角度分量分别为
Figure BDA0001671347780000051
Figure BDA0001671347780000052
式中：每个棱镜的光束偏转角大小分别为δ1＝α1(n1-1)；δ2＝α2(n2-1)；θ1、θ2分别为前后两个棱镜y轴绕z轴的转角，θ10、θ20分别为两转角的初始值。当棱镜转角的初始值、实时值以及δ1、δ2已知后，可以确定光束的偏转角度。
另外，两枚楔形棱镜包含位置编码器，可以实时反馈当前角度。得到的角度信息可以用于修正棱镜的角度误差，实现更精准的光束偏转角度控制，提高测量精度。
在一种具体实施方式中，激光雷达的安装与控制方法如下：将整套系统安装于风机轮毂内部，并跟随轮毂同步旋转，如图5所示。在图5中，52表示塔架，54表示风机机舱，56表示轮毂，58表示风轮叶片，且30表示激光扫描锥角。在图5所示的实施方式中，测风激光雷达系统安装在轮毂56内部。
这种安装方式可以保证雷达工作时不会受到叶片遮挡的影响。激光雷达自身包含旋转扫面机构，保证获取风轮前方风速的数据刷新速率满足1Hz～100Hz的要求。在一种实施方式中，风轮前方风速的数据刷新速率可满足1Hz～10Hz的要求。在一种实施方式中，风轮前方风速的数据刷新速率可满足1Hz～3Hz的要求。同时，系统内配置了大量传感器以获取雷达实时的工作状态信息，例如编码器、加速度传感器和重力传感器，可以获取风轮转速与角度。地磁传感器可以获取当前测风的地理来向。
雷达的工作由同步锁相算法控制，如图6所示。同步锁相算法根据系统反馈的状态信息，实时调整雷达的工作状态。具体来说，所述同步锁相算法包括下述步骤：
(1)基于棱镜旋转角，通过九轴传感器读取旋转轴；
(2)将三维数据加速度数据映射到垂直于旋转轴的平面；
(3)将静止时加速度映射到垂直于旋转轴的平面；
(4)计算静态时加速度和动态时加速度的角度差；和
(5)通过低通滤波更新棱镜旋转角。
通过加速度传感器可以获得风轮转速与角度，以此为依据，系统调节光束旋转镜头的棱镜旋转速度，保持测风扫描速度恒定，可降低棱镜对旋转速度，提高系统运动部件寿命。当检测到风机风轮停止旋转时，旋转透镜也停止工作，并将锥角归零，使雷达直视风轮前方，此方法可以降低电机的工作时间，提高系统寿命。
雷达工作时，通过同时调整角度和焦距可以测量整个圆柱体的风速信息，通过变焦和变扫描锥角的方法可以扫描到整个风轮平面前的风速信息。风轮前的风场分布信息可通过泰勒冻结假设预估，雷达对风机前特定距离设置测试点，进行反复取样测试，以获得该地形条件下风速分布的修正曲线，使得风机可对风轮前方的风速进行准确预测，从而提前调整风机状态，降低动态载荷，提高发电效率。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。

Claims (8)

1.一种用于相干多普勒测风激光雷达系统的控制方法，所述相干多普勒测风激光雷达系统包括激光光源、分光器件、聚焦透镜和光电探测器，其中所述系统还包括变焦准直透镜组和光束旋转镜头，所述光束旋转镜头由两枚楔形棱镜构成，所述方法包括同步锁相算法，所述同步锁相算法包括下述步骤：
(1)通过九轴传感器读取旋转轴；
(2)将三维数据加速度数据映射到垂直于旋转轴的平面；
(3)将静止时加速度映射到垂直于旋转轴的平面；
(4)计算静止时加速度和动态时加速度的角度差；和
(5)通过低通滤波更新棱镜旋转角；
其中，所述相干多普勒测风激光雷达系统整体安装在风机轮毂内部，且跟随轮毂同步旋转。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过调节光束旋转镜头的棱镜旋转速度，保持测风扫描速度恒定。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当检测到风机风轮停止旋转时，旋转透镜也停止工作，并将锥角归零，使雷达直视风轮前方。
4.如权利要求1-3中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述变焦准直透镜组由两块非球面透镜组成，且其中一块非球面透镜构造成能相对于另一块非球面透镜沿着光轴方向移动。
5.如权利要求1-3中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述两枚楔形棱镜都包括位置编码器。
6.如权利要求1-3中任一项所述的控制方法，其特征在于，激光雷达自身包含旋转扫面机构，保证获取风轮前方风速的数据刷新速率满足1Hz～100Hz要求。
7.如权利要求1-3中任一项所述的控制方法，其特征在于，还包括用于获取雷达实时工作状态信息的传感器。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述传感器包括下述中的一种或几种：编码器、加速度传感器、重力传感器和地磁传感器。
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