CN109061671A - 一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置，包括激光光源、放大器、光路合束器和光电探测器，其中还包括望远镜探测器，所述望远镜探测器包括变焦装置，所述变焦装置包括第一透镜和第二透镜，且第一透镜和第二透镜中的一块构造成能相对于另一块沿着光轴方向移动。本申请还提供一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法。本申请的有益效果在于通过采用变焦装置，显著提高恶劣天气下激光测风雷达信号的信噪比以及信号可利用率。此外，本申请的方法通过信噪比技术以及逻辑控制实现最少变焦次数，提高系统信号检测强度。

Description

一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置和方法
技术领域
本申请涉及一种激光雷达探测技术，具体涉及一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置和方法。
背景技术
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，被越来越多的应用与风电能源的控制和开发等领域。现有激光测风雷达向探测空间发射高频谱纯度的激光束，大气中的气溶胶颗粒与激光束发生弹性散射相互作用，后向散射回波光信号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，可获得探测空间的风场风速实时变化等信息。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。
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。
为了把激光雷达真正的用于风机控制，需要激光雷达本身需要有高的现场可利用率，以应对现场复杂的气候条件，比如在雨后或晴朗天气下空气中气溶胶颗粒含量减少而带来的回光信号弱的问题。当检测信号弱到一定程度，信噪比变差，检测信号被作为无效风速抛弃，带来可利用低的问题。
现有公开技术并没有聚焦与怎么提高激光雷达的现场可利用率，因此本领域迫切需要开发一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置和方法。
发明内容
本申请之目的在于提供一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置，从而解决上述现有技术中的技术问题。本申请的装置通过精密伺服系统控制，来精准实现望远镜光学探测系统的焦点和回光距离的控制。
本申请之目的还在于提供一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法，通过信噪比计算以及逻辑控制来实现最少变焦次数，并提高系统信号检测强度，进而提高现场可利用率。
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，本申请提供一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置，包括激光光源、放大器、光路合束器和光电探测器，其中还包括望远镜探测器，所述望远镜探测器包括变焦装置，所述变焦装置包括第一透镜和第二透镜，且第一透镜和第二透镜中的一块构造成能相对于另一块沿着光轴方向移动。
在一种具体实施方式中，所述透镜可为非球面透镜。
在第一方面的一种实施方式中，用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置还包括采样卡。
在第一方面的另一种实施方式中，所述放大器为掺铒光纤放大器。
在第一方面的另一种实施方式中，所述望远镜探测器包括开普勒型扩束望远镜。
在第二方面中，本申请提供一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法，所述方法包括下述步骤：
S1：将激光测风雷达的焦距调节到额定距离，进行风速信号采样和信号处理，得到第一时间段内的平均信噪比；
S2：判断第一时间段内的平均信噪比是否小于设定的第一信噪比阈值,如果第一时间段内的平均信噪比大于或等于设定的第一信噪比阈值，则返回到步骤S1；如果第一时间段内的平均信噪比小于设定的第一信噪比阈值，则实施步骤S3：
S3：将激光测风雷达的焦距调节到第一距离，依次进行风速信号采样和信号处理，得到调整后的第一时间段内的平均信噪比，其中第一距离小于额定距离，随后实施步骤S2，判断调整后的第一时间段内的平均信噪比是否小于设定的第一信噪比阈值；
S4：重复步骤S2和步骤S3，直到第一时间段内的平均信噪比大于或等于设定的第一信噪比阈值。
在第二方面的一种实施方式中，在步骤S2中，当第一时间段内的平均信噪比大于或等于设定的第一信噪比阈值时，还包括判断第二时间段内的平均信噪比是否大于设定的第二信噪比阈值，如果第二时间段内的平均信噪比大于设定的第二信噪比阈值，则返回到步骤S1；如果第二时间段内的平均信噪比小于或等于设定的第二信噪比阈值，则重新判断第一时间段内的平均信噪比是否小于设定的第一信噪比阈值。
在第二方面的另一种实施方式中，在步骤S2中，第一时间段为20分钟；和/或所述第一信噪比阈值为5。
在第二方面的另一种实施方式中，在步骤S2中，第二时间段为30分钟；和/或所述第二信噪比阈值为5。
在第二方面的另一种实施方式中，所述第一距离为45米或30米。
在第二方面的另一种实施方式中，在步骤S3中，通过如第一方面所述的变焦装置来调节激光测风雷达的焦距。
在第三方面中，本申请提供一种如第一方面所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置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通过采用变焦装置，显著提高恶劣天气下激光测风雷达信号的信噪比以及信号可利用率。此外，本申请的方法通过信噪比技术以及逻辑控制实现最少变焦次数，提高系统信号检测强度。
附图说明
图1示意性显示根据本申请的用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置。
图2示意性显示望远镜探测器的示意图。
图3示意性显示根据本申请的变焦装置的示意图。
图4显示根据本申请的用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法的一种实施方式的流程图。
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。
为了把激光雷达真正的用于风机控制，需要激光雷达本身需要有高的现场可利用率，以应对现场复杂的气候条件，比如在雨后或晴朗天气下空气中气溶胶颗粒含量减少而带来的回光信号弱的问题。
在第一方面中，本申请提供一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置，装置通过精密伺服系统控制，来精准实现望远镜光学探测系统的焦点和回光距离的控制。
首先参考图1，图1显示根据本申请的用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置。如图1所示，根据本申请的用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置包括激光光源、放大器、光路合束器和光电探测器。在一种实施方式中，所述放大器为掺铒光纤放大器。在一种实施方式中，本文所述的装置还包括采样卡，其与光电探测器通信。
本申请的装置还包括望远镜探测器，望远镜探测器的结构如图2所示，主要包括光纤输入、主光路、调焦系统和望远镜几个部分。
参考图3，本文所述的望远镜探测器还包括变焦装置，所述变焦装置包括第一透镜和第二透镜，且第一透镜和第二透镜中的一块构造成能相对于另一块沿着光轴方向移动。
在一种具体实施方式中，变焦装置包括变焦透镜组，该变焦透镜组由两块透镜组成，其中一块非球面镜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。
对于本文所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置而言，其信噪比(SNR)计算公式如下：
式中，PT为激光器的发射功率，D为望远镜接收直径，R为探测距离，B＝1/T是匹配滤波器带宽，ρT是目标平均反射系数，ηsys是光学系统传输效率，k为大气消光系数，h为普朗克常量，v为激光器的中心频率。
由于PT,D的改变都需要增加较多的硬件成本，而R是可调节的，且调节R并不要太多的硬件成本增加，并且目标平均反射系数信噪比与距离平方成反比,所以在一些气候条件下,通过调焦减低测量距离可以显著的提高信噪比和信号质量。
在第二方面中，本申请提供一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法，通过信噪比计算以及逻辑控制来实现最少变焦次数，并提高系统信号检测强度，进而提高现场可利用率。
在一种具体实施方式中，在雷达调焦方法中，激光测风雷达正常工作80m距离,设置两个变焦点45m,30m,根据一段时间内的平均信噪比(SNR)来进行判断,是否需要变焦,以增加系统信噪比。
参考图4，图4显示根据本申请的用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法的一种实施方式的流程图。
在图4所示的实施方式中，用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法包括下述步骤：
S1：将激光测风雷达的焦距调节到额度距离80m，进行风速信号采样和信号处理，分析得到20分钟内的平均信噪比SNR；
S2：判断20分钟内的平均信噪比是否小于5，如果20分钟内的平均信噪比小于5，则实施下述步骤S3；如果20分钟内的平均信噪比大于或等于5，则进一步判断30分钟内的平均信噪比是否大于5，如果30分钟内的平均信噪比大于5，则返回步骤S1，若30分钟内的平均信噪比小于或等于5，则重新判断20分钟内的平均信噪比是否小于5；
S3：将激光测风雷达的焦距调节到小于额度距离的第一距离45m，再次进行步骤S2，即判断在焦距调节之后的20分钟内的平均信噪比是否小于5；
S4：重复S2和S3，直到20分钟内的平均信噪比大于或等于5。
在一种具体实施方式中，激光测风雷达具有可接受的最小焦距，当激光测风雷达的焦距已经为最小焦距时，如果20分钟内的平均信噪比小于5，不再实施步骤S3，而是返回步骤S2，继续判断下一个20分钟内的平均信噪比是否小于5。
在另一种具体实施方式中，在步骤S2中，如果20分钟内的平均信噪比大于或等于5，无需再进行进一步判断，直接返回步骤S1。
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 (11)

1.一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置，包括激光光源、放大器、光路合束器和光电探测器，其中还包括望远镜探测器，所述望远镜探测器包括变焦装置，所述变焦装置包括第一透镜和第二透镜，且第一透镜和第二透镜中的一块构造成能相对于另一块沿着光轴方向移动。
2.如权利要求1所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置，其特征在于，还包括采样卡。
3.如权利要求1所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置，其特征在于，所述放大器为掺铒光纤放大器。
4.如权利要求1所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置，其特征在于，所述望远镜探测器包括开普勒型扩束望远镜。
5.一种用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法，所述方法包括下述步骤：
S1：将激光测风雷达的焦距调节到额定距离，进行风速信号采样和信号处理，得到第一时间段内的平均信噪比；
S2：判断第一时间段内的平均信噪比是否小于设定的第一信噪比阈值,如果第一时间段内的平均信噪比大于或等于设定的第一信噪比阈值，则返回到步骤S1；如果第一时间段内的平均信噪比小于设定的第一信噪比阈值，则实施步骤S3：
S3：将激光测风雷达的焦距调节到第一距离，依次进行风速信号采样和信号处理，得到调整后的第一时间段内的平均信噪比，其中第一距离小于额定距离，随后实施步骤S2，判断调整后的第一时间段内的平均信噪比是否小于设定的第一信噪比阈值；
S4：重复步骤S2和步骤S3，直到第一时间段内的平均信噪比大于或等于设定的第一信噪比阈值。
6.如权利要求5所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法，其特征在于，在步骤S2中，当第一时间段内的平均信噪比大于或等于设定的第一信噪比阈值时，还包括判断第二时间段内的平均信噪比是否大于设定的第二信噪比阈值，如果第二时间段内的平均信噪比大于设定的第二信噪比阈值，则返回到步骤S1；如果第二时间段内的平均信噪比小于或等于设定的第二信噪比阈值，则重新判断第一时间段内的平均信噪比是否小于设定的第一信噪比阈值。
7.如权利要求5所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法，其特征在于，在步骤S2中，第一时间段为20分钟；和/或所述第一信噪比阈值为5。
8.如权利要求6所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法，其特征在于，在步骤S2中，第二时间段为30分钟；和/或所述第二信噪比阈值为5。
9.如权利要求6所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法，其特征在于，所述第一距离为45米或30米。
10.如权利要求5或6所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的方法，其特征在于，在步骤S3中，通过如权利要求1所述的变焦装置来调节激光测风雷达的焦距。
11.一种如权利要求1-4中任一项所述的用于提高激光测风雷达现场可利用率的装置在测量风场分布中的应用。
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