CN108873015A - 一种激光测风雷达侧向风测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光测风雷达侧向风测量装置，包括：激光测风雷达，所述激光测风雷达内的测风激光器发出的光射向正前方，用以检测前向风速；以及反射镜，所述反射镜处在测风激光器发出的光的光线传输路径上，所述反射镜将测风激光器发出的光的一部分反射到与正前方成β度角度的方向，其中β在0到180度的范围内。
Description
技术领域
本申请涉及一种激光雷达探测技术，具体涉及一种激光测风雷达侧向风测量装置和方法。
背景技术
激光测风雷达以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气气溶胶粒子和大气分子的后向散射信号，然后通过分析发射激光的径向多普勒频移反演出风速。从探测方式看，激光测风雷达可分为相干探测激光雷达和非相干探测(直接探测)激光雷达。
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。
瑞利散射测风激光雷达是一种大气风场的探测方式，采用直接测量方式实现。瑞利散射是指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移的弹性光散射。瑞利散射测风激光雷达的原理是：通过大气分子的群速来反映大气的风速。发射机向大气中发射激光，激光遇到大气分子产生后向散射，后向散射的激光信号被接收机接收，如果大气分子因风产生运动，那么接收机接收到的瑞利散射信号就会产生多普勒频移，利用光学鉴频器检测出激光因大气分子运动而产生的多普勒频移，就可以反演出风速的大小，再利用多波束原理可以得到矢量风场。
激光测风雷达作为一种高精度，高性能的先进大气测风遥测技术，被越来越多的应用于风电能源的控制和开发等领域。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，通过前馈控制优化来降低风扰动引起的功率波动和塔架，叶片等载荷。
发明内容
为了把激光雷达真正的用于风机控制，不仅需要激光雷达对前向来风有检测能力，还需要对侧向来风也有检测的能力，通过前馈控制更进一步的降低桨叶和塔筒的载荷。激光雷达安装在机舱顶部或轮毂内，激光直线传播，随风机偏航系统的调整自动追踪正向风。由于偏航速度慢，所以需要额外的设备和检测方法才能实现侧面风的检测功能。
根据本发明的一个方面，提供一种激光测风雷达侧向风测量装置，包括：
激光测风雷达，所述激光测风雷达内的测风激光器发出的光射向正前方，用以检测前向风速；以及
反射镜，所述反射镜处在测风激光器发出的光的光线传输路径上，所述反射镜将测风激光器发出的光的一部分反射到与正前方成β度角度的方向，其中β在0到180度的范围内。
在本发明的一个实施例中，所述测风激光器发出的光的一部分经反射镜反射到与正前方成β度角度的方向，大气中的气溶胶颗粒与反射后的光发生弹性散射相互作用，后向散射回波光信号经反射镜反射后被雷达信号收发系统有效的接收后，经处理后，获得与正前方成β度角度的方向的探测空间的风场风速实时变化等信息。
在本发明的一个实施例中，所述激光测风雷达在一个扫描周期内分时检测前向和侧向的风速。
在本发明的一个实施例中，所述反射镜将测风激光器发出的光的一部分反射到与正前方成90度角度的方向。
在本发明的一个实施例中，所述激光测风雷达和反射镜安装在风机轮毂上。
在本发明的一个实施例中，激光测风雷达侧向风测量装置还包括多轴传感器，用于检测轮毂的旋转速度和激光测风雷达的方位角。
在本发明的一个实施例中，根据轮毂的旋转速度和激光测风雷达的方位角确定所测量的侧向风的位置角度。
在本发明的一个实施例中，所述反射镜设置在所述激光测风雷达内部。
在本发明的一个实施例中，所述激光测风雷达还包括正向出光口以及侧向出光口。
在本发明的一个实施例中，所述测风激光器发出的光的一部分通过正向出光口射向正前方，所述测风激光器发出的光的另一部分通过侧向出光口射向激光测风雷达的侧面。
附图说明
为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出根据本发明的一个实施例的激光测风雷达侧向风测量装置100的结构示意图。
图2示出根据本发明的一个实施例的安装在轮毂内的激光测风雷达侧向风测量装置200的结构示意图。
图3示出根据本发明的一个实施例的激光测风雷达侧向风测量装置300的结构示意图。
具体实施方式
在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
为了把激光雷达真正的用于风机控制，不仅需要激光雷达对前向来风有检测能力，还需要对侧向来风也有检测的能力，通过前馈控制更进一步的降低桨叶和塔筒的载荷。激光雷达安装在机舱顶部或轮毂内，激光直线传播，随风机偏航系统的调整自动追踪正向风。由于偏航速度慢，所以需要额外的设备和检测方法才能实现侧面风的检测功能。
本发明的实施例提出一种激光测风雷达侧向风测量装置和方法，通过高反射率金属镜反射出射光到侧向角度，从而可以在一个扫描周期内分时检测前向和侧向的风速。
图1示出根据本发明的一个实施例的激光测风雷达侧向风测量装置100的结构示意图。如图1所示，激光测风雷达侧向风测量装置100可包括激光测风雷达110以及反射镜120。反射镜120处在测风激光器发出的激光的光线传输路径上。
激光测风雷达110内的测风激光器发出的光射向正前方检测前向风速。通过在光线传输路径上加入一面反射镜120，将部分前射光反射到侧面。在本发明的一个具体实施例中，反射镜120将部分前射光反射到与风机前向成90度角度的方向。然而，本领域的技术人员应该理解，本发明的保护范围不限于此，在本发明的其它实施例中，反射镜120将部分前射光反射到与风机前向成β度角度的方向，其中β在0到180度的范围内。
在激光测风雷达工作过程中，测风激光器发出的高频谱纯度的激光束的一部分直接射向正前方检测前向风速。
测风激光器发出的高频谱纯度的激光束的另一部分经反射镜120反射到与风机前向成β度角度的方向，大气中的气溶胶颗粒与反射后的激光束发生弹性散射相互作用，后向散射回波光信号经反射镜120反射后被雷达信号收发系统有效的接收后，通过高灵敏度的光电探测装置接收并进行频谱信号的处理，可获得与风机前向成β度角度的方向的探测空间的风场风速实时变化等信息。
在本发明的一个实施例中，可以在一个扫描周期内分时检测前向和侧向的风速。
针对装在轮毂中旋转的雷达，通过安装在雷达内的多轴传感器，时时检测轮毂的旋转速度ω1和雷达的方位角α，计算得到需要的侧向风风速。图2示出根据本发明的一个实施例的安装在轮毂内的激光测风雷达侧向风测量装置的结构示意图。
如图2所示，激光测风雷达侧向风测量装置安装在风机的轮毂201上，激光测风雷达侧向风测量装置可包括激光测风雷达210以及反射镜220。反射镜220处在测风激光器发出的激光的光线传输路径上并且安装在风机的轮毂201上。激光测风雷达侧向风测量装置还包括多轴传感器(图中未示出)，用于检测轮毂的旋转速度ω1和雷达的方位角α。下面以反射镜220将部分前射光反射到与风机前向成90度角度的方向为例，介绍轮毂的旋转速度ω1和雷达的方位角α之间的关系。轮毂的旋转速度为ω1，雷达旋转速度为ω2，可将轮毂的旋转速度为ω1和雷达旋转速度为ω2之和设定为特定值，例如60转每分钟。由于反射镜220安装在轮毂上，因此反射镜220相对激光测风雷达的旋转速度的为ω2-ω1，反射镜220的反射光在xy平面内反射的位置角度以α＝(ω2-ω1)t+180度变化。增加的180表示镜面反射到对角线的位置。通过获取反射光的位置角度，可以确定激光测风雷达侧向风测量装置所测量的侧向风所在的位置。
为了更好的保护反射镜的安装平整度和清洁度，在本发明的一个实施例中，可将反射镜安装在激光测风雷达内。
图3示出根据本发明的一个实施例的激光测风雷达侧向风测量装置300的结构示意图。如图3所示，激光测风雷达侧向风测量装置300可包括激光测风雷达310、反射镜320、正向出光口330以及侧向出光口340。反射镜320处在测风激光器发出的激光的光线传输路径上。反射镜320设置在激光测风雷达侧向风测量装置300的内部。
激光测风雷达310内的测风激光器发出的光的一部分通过正向出光口330射向正前方检测前向风速。
测风激光器发出的光束的另一部分经反射镜320反射到与风机前向成β度角度的方向，其中β在0到180度的范围内，然后通过侧向出光口340射向激光雷达的侧面，大气中的气溶胶颗粒与反射后的激光束发生弹性散射相互作用，后向散射回波光信号经反射镜320反射后被雷达信号收发系统有效的接收后，通过高灵敏度的光电探测装置接收并进行频谱信号的处理，可获得与风机前向成β度角度的方向的探测空间的风场风速实时变化等信息。
在本发明的一个具体实施例中，反射镜320将部分前射光反射到与风机前向成90度角度的方向。
在本发明的一个实施例中，可以在一个扫描周期内分时检测前向和侧向的风速。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (10)
1.一种激光测风雷达侧向风测量装置，包括：
激光测风雷达，所述激光测风雷达内的测风激光器发出的光射向正前方，用以检测前向风速；以及
反射镜，所述反射镜处在测风激光器发出的光的光线传输路径上，所述反射镜将测风激光器发出的光的一部分反射到与正前方成β度角度的方向，其中β在0到180度的范围内。
2.如权利要求1所述的激光测风雷达侧向风测量装置，其特征在于，所述测风激光器发出的光的一部分经反射镜反射到与正前方成β度角度的方向，大气中的气溶胶颗粒与反射后的光发生弹性散射相互作用，后向散射回波光信号经反射镜反射后被雷达信号收发系统有效的接收后，经处理后，获得与正前方成β度角度的方向的探测空间的风场风速实时变化等信息。
3.如权利要求1所述的激光测风雷达侧向风测量装置，其特征在于，所述激光测风雷达在一个扫描周期内分时检测前向和侧向的风速。
4.如权利要求1所述的激光测风雷达侧向风测量装置，其特征在于，所述反射镜将测风激光器发出的光的一部分反射到与正前方成90度角度的方向。
5.如权利要求4所述的激光测风雷达侧向风测量装置，其特征在于，所述激光测风雷达和反射镜安装在风机轮毂上。
6.如权利要求5所述的激光测风雷达侧向风测量装置，还包括多轴传感器，用于检测轮毂的旋转速度和激光测风雷达的方位角。
7.如权利要求6所述的激光测风雷达侧向风测量装置，其特征在于，根据轮毂的旋转速度和激光测风雷达的方位角确定所测量的侧向风的位置角度。
8.如权利要求1所述的激光测风雷达侧向风测量装置，其特征在于，所述反射镜设置在所述激光测风雷达内部。
9.如权利要求8所述的激光测风雷达侧向风测量装置，其特征在于，所述激光测风雷达还包括正向出光口以及侧向出光口。
10.如权利要求9所述的激光测风雷达侧向风测量装置，其特征在于，所述测风激光器发出的光的一部分通过正向出光口射向正前方，所述测风激光器发出的光的另一部分通过侧向出光口射向激光测风雷达的侧面。
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