CN110927709A - 用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法及系统，该方法包括：采用对称调频的三角调频连续波作为系统波形，通过毫米波雷达向风力发电的叶片发出电磁波作为发射信号，并接收叶片反射的电磁波作为回波信号，计算得出三角调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率，将中心频率代入距离和\或速度公式，得到叶片的距离和\或速度信息。本发明将毫米波雷达用于风力发电叶片控制系统中，可对叶片实时测距，全天时监控叶片与塔台之间的位置。

Description

用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法及系统
技术领域
本发明涉及雷达测距，尤其涉及一种用于风力发电的毫米波的高精度测距方法及系统。
背景技术
陆地、海洋都蕴藏着巨大的风能，风力发电很好的解决了发电过程中产生的环境影响限制。而风机结构中风轮锥角在工作中是时刻变化的，它所带来的风险就是叶片跟塔架存在相撞的可能，目前没有一种好的传感器能够在昼夜温差大、湿度高、盐雾环境恶劣(海上发电)、高海拔、转速快(叶尖速度可达130m/s)及强光等条件下全天候使用。
现有的定位测距技术主要有：超声波测距技术、激光雷达、红外传感器和视觉技术等等。其中，超声波雷达测距能力普遍在4m以内。在速度很高情况下测量距离有一定的局限性，因为超声波的传输速度很容易受天气情况的影响，在不同的天气情况下，超声波的传输速度不同，而且传播速度较慢；另一方面，超声波散射角大，方向性较差，在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较弱，影响测量精度。激光雷达比较昂贵，雾和雨对它的测距会有影响。红外传感器应用距离测量领域时，最难克服的是受强太阳光等多种含有红外线的光源干扰。视觉技术受环境影响大，黑夜、雨雪、大雾、强光等能见度低的情况，准确率大幅降低且很容易受干扰，从而影响其精度。
毫米波雷达，是工作在毫米波频段的雷达。毫米波(Millimeter-Wave，缩写：mmw)，是指长度在1～10mm的电磁波，对应的频率范围为20～300GHz。毫米波位于微波与远红外波相交叠的波长范围，所以毫米波兼有这两种波谱的优点，同时也有自己独特的性质。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。根据波的传播理论，频率越高，波长越短，分辨率越高，穿透能力越强，但在传播过程的损耗也越大，传输距离越短；相对地，频率越低，波长越长，绕射能力越强，传输距离越远。所以与超声波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干扰能力强和探测性能好。与红外相比，毫米波的大气衰减小、对烟雾灰尘具有更好的穿透性、受天气影响小。因此，这些特质决定了毫米波雷达具有全天时全天候的工作能力，很符合风力发电工作环境要求。
目前没有毫米波雷达用于风力发电的文献公开。
发明内容
本发明提供了一种用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法及系统，用以解决风力发电中的现有传感器不能在各种环境下全天候使用的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法，包括以下步骤：
采用对称调频的三角调频连续波作为系统波形，通过毫米波雷达向风力发电的叶片发出电磁波作为发射信号，并接收叶片反射的电磁波作为回波信号，计算得出三角调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率，将中心频率代入距离和\或速度公式，得到叶片的距离和\或速度信息。
优选地，距离公式为：
Figure BDA0002310719280000021
其中，R为目标距离值，B为调频带宽，单位为Hz；R为目标到雷达天线的距离，单位为m；T为三角调频连续波的调制周期，单位为s；fb+为差频信号在正频段的频率，fb-为差频信号在负扫频段的频率；
速度公式为：
Figure BDA0002310719280000022
其中，v为目标与雷达天线之间的相对径向运动速度，单位为m/s；c为电磁波在测试环境中的传播速度，c≈3*108m/s。
本发明还提供一种用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距系统，包括：
射频单元，用于控制毫米波雷达向通过毫米波雷达向风力发电的叶片发出电磁波作为发射信号，并通过天线接收叶片反射的电磁波作为回波信号，并将回波信号返回给数字信号处理器；
数字信号处理器，用于调制对称调频的三角调频连续波作为系统波形经射频单元发出，并接收来自射频单元的回波信号，计算得出三角调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率，将中心频率代入距离和\或速度模型，得到叶片的距离和\或速度信息。
优选地，距离模型如下：
Figure BDA0002310719280000023
其中，R为目标距离值，B为调频带宽，单位为Hz；R为目标到雷达天线的距离，单位为m；T为三角调频连续波的调制周期，单位为s；fb+为差频信号在正频段的频率，fb-为差频信号在负扫频段的频率；
速度模型如下：
Figure BDA0002310719280000024
其中，v为目标与雷达天线之间的相对径向运动速度，单位为m/s；c为电磁波在测试环境中的传播速度，c≈3*108m/s。
优选地，数字信号处理器调制的对称调频的三角调频连续波后经锁相环后再传输给视频单元；射频单元，接收到回波信号后，经放大器放大后返回给数字信号处理器。
优选地，毫米波雷达的高精度测距系统包括多个毫米波雷达，多个毫米波雷达沿圆周布设于风力发电叶片的安装杆上以覆盖所述叶片的各个风向位置。
本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现上述任一高精度测距系统中的步骤。
本发明具有以下有益效果：
本发明的用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法及系统，将毫米波雷达用于风力发电叶片控制系统中，可对叶片实时测距，全天时监控叶片与塔台之间的位置，不受环境影响。测距精度高，成本低，需要投入的底层硬件设施少，且作用距离远。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的三角调频连续波雷达系统的发射信号与回波信号的时频示意图；
图3是本发明优选实施例的用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距系统的电路结构示意图；
图4是本发明优选实施例的射频单元的工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法，包括以下步骤：
采用对称调频的三角调频连续波作为系统波形，通过毫米波雷达向风力发电的叶片发出电磁波作为发射信号，并接收叶片反射的电磁波作为回波信号，计算得出三角调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率，将中心频率代入距离和\或速度公式，得到叶片的距离和\或速度信息。
毫米波雷达传感器，通常毫米波主要使用频段有24G、60G和77G三种，本发明使用24G作为工作频率雷达作为测距传感器。毫米波雷达由于是电磁波，回波和发射波间隔非常短，不太适合使用简单的发射脉冲方式。而毫米波雷达测速有两种方式，一个基于多普勒原理，即当发射的电磁波和被探测目标有相对移动、回波的频率会和发射波的频率不同。通过检测这个频率差可以测得目标相对于雷达的移动速度。参见图4，当叶片经过雷达检测区域时，雷达(TX)发出的电磁波遇到叶片后，反射的电磁波被雷达天线(RX)接收端接收。
由于风机正常工作时候叶片转速非常快。当目标速度达到一定程度后，目标的距离-速度耦合较严重，将对测距结果造成较大误差，此时距离-速度耦合影响不能忽略，需要解距离-速度耦合。
为了消除多普勒测距误差，解距离-速度耦合，本实施例优选使用对称调频的三角调频连续波作为系统波形。参见图2，由于三角波正负调频段的对称特性，可以通过正负调频段的同一目标的差频信号频谱配对来消除多普勒误差的影响，以下进行说明：
由图2可知，回波信号相对发射信号在时域上存在一个延迟τ，在频域上存在一个多普勒频移fd。
由多普勒效应的原理可以得到多普勒频移fd的表达方式为：
Figure BDA0002310719280000041
式中,v----目标与雷达天线之间的相对径向运动速度，m/s；
λ----毫米波的波长，λ≈0.0125m；
c----电磁波在测试环境中的传播速度，c≈3*108m/s；
在三角调频连续波信号的正扫频段和负扫频段得到不同的差频信号，设差频信号在正频段的频率为fb+，差频信号在负扫频段的频率为fb-，则差频信号表达式如下：
fb+＝fb0-fd
fb-＝fb0+fd
式中，fb0----目标与雷达天线相对静止时差频信号的中心频率，Hz；
fd----多普勒频移，Hz；
由综合上边公式可得差频信号的另外一种表达方式：
Figure BDA0002310719280000042
Figure BDA0002310719280000043
式中，B----调频带宽，Hz；
R----目标到雷达天线的距离，m；
T----三角调频连续波的调制周期，s；
当运动目标向接近雷达天线的方向运动时速度v为正值，反之v为负值。
则在运动目标的测试场景中，运动目标的距离公式和速度公式如下：
Figure BDA0002310719280000051
Figure BDA0002310719280000052
由上式可知，运动目标的测试场景中，目标距离值是和正负扫频段中两段差频信号的中心频率平均值呈线性相关。由于只需输出正扫频段和下扫频段，雷达算法处理逻辑简洁、高效。可用于无论是在静止目标的测距场景还是运动目标的测距场景；更可以以高刷新率输出，从而更符合叶片高速运行的环境。
本实施例还提供一种用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距系统，包括：
射频单元，用于控制毫米波雷达向通过毫米波雷达向风力发电的叶片发出电磁波作为发射信号，并通过天线接收叶片反射的电磁波作为回波信号，并将回波信号返回给数字信号处理器；
数字信号处理器，用于调制对称调频的三角调频连续波作为系统波形经射频单元发出，并接收来自射频单元的回波信号，计算得出三角调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率，将中心频率代入距离和\或速度模型，得到叶片的距离和\或速度信息。
还包括：锁相环、放大器；数字信号处理器调制的对称调频的三角调频连续波后经锁相环后再传输给视频单元，锁相环用来统一整合时钟信号，使工作频率控制更加精准。射频单元接收到回波信号后，经放大器放大后返回给数字信号处理器。
还包括电源，电源给数字信号处理器以及其他组件供电，数字信号处理器通过CAN芯片与外部通信。在安装时，毫米波雷达的高精度测距系统包括多个毫米波雷达，多个毫米波雷达沿圆周布设于风力发电叶片的安装杆上，以覆盖所述叶片的各个风向位置，当叶片随风向变化时，可以被覆盖到至少一个雷达的监测范围内。
本实施例还提供一种计算机存储介质(如图3中带电可擦可编程只读存储器)，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现上述高精度测距系统中的步骤。
目前未见有文献公开将雷达用于风力发电测距；本发明通过研究将雷达用于风力发电测距，实现了雷达的新应用。并且通过研究发现：超声波雷达测距能力普遍在4m以内，超声波的传输速度很容易受天气情况的影响，在不同的天气情况下，超声波的传输速度不同，而且传播速度较慢；另一方面，超声波散射角大，方向性较差，在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较弱，影响测量精度；激光雷达比较昂贵，雾和雨对它的测距会有影响；因此上述两种雷达都不适用于设置在室外的风力发电设备的测距。本发明选用毫米波雷达对风力发电设备进行测距，具有分辨率高、指向性好、抗干扰能力强和探测性能好的优点，并且对大气衰减小、对烟雾灰尘具有更好的穿透性、受天气影响小，能够全天候工作，符合风力发电工作环境要求。
综上可知，本发明通过将毫米波雷达用于风力发电叶片控制系统中，可对叶片实时测距，全天时监控叶片与塔台之间的位置。并且不受环境影响。测距精度高，成本低，需要投入的底层硬件设施少，且作用距离远。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用对称调频的三角调频连续波作为系统波形，通过毫米波雷达向风力发电的叶片发出电磁波作为发射信号，并接收叶片反射的电磁波作为回波信号，计算得出三角调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率，将所述中心频率代入距离和\或速度公式，得到叶片的距离和\或速度信息。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距方法，其特征在于，所述距离公式为：
Figure FDA0002310719270000011
其中，R为目标距离值，B为调频带宽，单位为Hz；R为目标到雷达天线的距离，单位为m；T为三角调频连续波的调制周期，单位为s；fb+为差频信号在正频段的频率，fb-为差频信号在负扫频段的频率；
所述速度公式为：
Figure FDA0002310719270000012
其中，v为目标与雷达天线之间的相对径向运动速度，单位为m/s；c为电磁波在测试环境中的传播速度，c≈3*108m/s。
3.一种用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距系统，其特征在于，包括：
射频单元，用于控制毫米波雷达向通过毫米波雷达向风力发电的叶片发出电磁波作为发射信号，并通过天线接收叶片反射的电磁波作为回波信号，并将回波信号返回给数字信号处理器；
数字信号处理器，用于调制对称调频的三角调频连续波作为系统波形经射频单元发出，并接收来自射频单元的回波信号，计算得出三角调频连续波的正扫频段和负扫频段的差频信号的中心频率，将所述中心频率代入距离和\或速度模型，得到叶片的距离和\或速度信息。
4.根据权利要求3所述的用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距系统，其特征在于，所述距离模型如下：
Figure FDA0002310719270000013
其中，R为目标距离值，B为调频带宽，单位为Hz；R为目标到雷达天线的距离，单位为m；T为三角调频连续波的调制周期，单位为s；fb+为差频信号在正频段的频率，fb-为差频信号在负扫频段的频率；
所述速度模型如下：
Figure FDA0002310719270000021
其中，v为目标与雷达天线之间的相对径向运动速度，单位为m/s；c为电磁波在测试环境中的传播速度，c≈3*108m/s。
5.根据权利要求3或4所述的用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距系统，其特征在于，所述数字信号处理器调制的对称调频的三角调频连续波后经锁相环后再传输给视频单元；所述射频单元，接收到回波信号后，经放大器放大后返回给数字信号处理器。
6.根据权利要求3或4所述的用于风力发电的毫米波雷达的高精度测距系统，其特征在于，所述毫米波雷达的高精度测距系统包括多个毫米波雷达，所述多个毫米波雷达沿圆周布设于风力发电叶片的安装杆上以覆盖所述叶片的各个风向位置。
7.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现上述权利要求3至5中任一所述高精度测距系统中的步骤。
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