CN110988841B - 尾流探测的方法、数据处理装置和雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种尾流探测的方法，它包括以下步骤：激光发射步骤；信号处理步骤；数据处理步骤：提取出多普勒信号所在位置，以获得两束激光的频率f1、f2；并识别每帧回波信号的频谱宽度w1、w2；风速计算步骤：基于两束激光的频率f1、f2计算径向风速计算、湍流强度；阈值判别步骤：基于每帧回波信号的频谱宽度检测上游风机是否存在尾流。本发明能够方便简单的识别出尾流的存在，同时数据处理过程简单、应用成本较低，并且通过优化激光雷达装置，可以通过对不同距离处的尾流的识别，得到尾流在水平距离上的分布规律，从而间接的应用于风场信息测量需求中，避免了应用的单一化。

Description

尾流探测的方法、数据处理装置和雷达
技术领域
本发明涉及雷达测量领域，具体是一种尾流探测的方法、数据处理装置和雷达。
背景技术
风电场风机优化布置是风电场规划中的关键环节，其中确定各风机在风电场中相对位置的主要因素之一是风机间的尾流效应。最佳的风电场设计可以最小化尾流的影响，但无法完全避免。因此，风场尾流预测对于风场业主有着重大意义，可以减少成本及延长风机寿命。
如今大多数识别尾流方法，如CN 109973330 A：一种上游风机尾流对下游风机影响情况检测方法。方法包括：判断上游风机尾流对下游风机影响扇区和影响程度的检测方法，用连续波激光雷达测风仪实时检测下游风机前方预设位置处的风向，用机械式或超声波式测风仪检测自身所在位置的本地风向；计算两个风向检测结果之间的偏差，绘制风向测量偏差统计图，通过获取该波形的幅值和起止区间，判断下游风机受上游风机尾流影响程度和扇区区间。
该方案存在以下两点问题：
1、需要将机舱上的风向标与激光测风雷达相结合使用，通过对比两传感器风向偏差及幅度，确定尾流及尾流强度，该方法数据处理不仅复杂，而且成本较高。
2、使用连续波激光雷达识别尾流，由于连续波激光雷达每次只能对某一点处的尾流进行识别，无法对上游风机与下游风机之间每段距离进行同时识别，进而无法将尾流对下游风机影响范围进行有效评估，无法对风电场优化布置提供有效的帮助。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了尾流探测的方法、数据处理装置和雷达。能够方便简单的识别出尾流的存在，同时数据处理过程简单、应用成本较低，并且通过优化激光雷达装置，可以通过对不同距离处的尾流的识别，得到尾流在水平距离上的分布规律，从而间接的应用于风场信息测量需求中，避免了应用的单一化
技术方案：
本发明首先公开了一种尾流探测的方法，它包括以下步骤：
激光发射步骤：雷达发射两束激光探测上游风机并接收回波信号；
信号处理步骤：消除探测频段以外其它信号，并将难以处理的时域信号转换为易于分析的频域信号；
数据处理步骤：提取出多普勒信号所在位置，以获得两束激光的频率f1、f2；并识别每帧回波信号的频谱宽度w1、w2；
风速计算步骤：基于两束激光的频率f1、f2计算径向风速计算、湍流强度；
阈值判别步骤：基于每帧回波信号的频谱宽度检测上游风机是否存在尾流。
具体的，所述信号处理步骤包括滤波、傅里叶变换、频谱累加；通过滤波消除探测频段以外其他信号；通过傅里叶变换将难以处理的时域信号转换为易于分析的频域信号；通过频谱累加有效地提高信号的信噪比，完成对微弱信号的检测。
具体的，所述数据处理步骤包括频谱底噪去除、频谱峰值点识别、频谱半高宽识别；通过频谱底噪去除消除背景噪声，提高峰值点识别能力；通过频谱峰值点识别提取出多普勒信号所在位置；通过频谱半高宽识别获得每帧回波信号的频谱宽度w1、w2。
具体的，所述风速计算步骤，两束光的径向风速通过下式获得：
v1＝λ(f1-f0)/2
v2＝λ(f2-f0)/2
式中，λ为激光波长、f0为激光器中频、f1、f2分别为数据处理步骤获得的频率；
两束光的湍流强度通过下式获得：
Figure GDA0003160388890000021
Figure GDA0003160388890000022
式中，其中σ1，σ2分别为风速方差、
Figure GDA0003160388890000023
分别为均值风速，
Figure GDA0003160388890000024
Figure GDA0003160388890000025
N为一段时间内风速总个数。
具体的，所述阈值判别步骤包括二阶中心距统计、阈值判断、尾流输出，其中：
二阶中心距统计：统计一段时间内两光束回波信号频谱宽度偏离均值的程度，D1、D2，
Figure GDA0003160388890000026
Figure GDA0003160388890000027
n表示一段时间内共获得n次回波信号，i表示其中第i次测量，w1、w2分别为两光束频谱宽度；
阈值判断：当W＞Z1并且T＞Z2时，则输出标志位1，表示存在尾流，否则输出标志位0，表示无尾流；
其中，Z1为频谱宽度门限值，Z2为湍流强度门限值，均为经验值；两束光频谱宽度偏差W＝abs(D1-D2)，湍流偏差T＝abs(σ1-σ2)；
尾流输出。
具体的，所述阈值判别步骤还包括尾流在水平距离上分布规律分析，通过最小二乘法拟合出两束光频谱宽度差与距离关系，计算公式：
Figure GDA0003160388890000031
其中：y为两束光的频谱宽度差，x为尾流与下游风机的距离，a、b为拟合系数。
它包括信号处理模块、数据处理模块、风速计算模块和阈值判别模块，分别对应执行上述的激光发射步骤、信号处理步骤、数据处理步骤、风速计算步骤和阈值判别步骤。
本发明还公开了一种尾流探测的雷达，它应用所述的数据处理装置，还包括激光器光源装置、声光调制装置、光源切换装置、探测装置，激光器光源装置一方面连接声光调制装置，另一方面连接探测装置；声光调制装置接收脉冲信号，声光调制装置的信号输出端通过环形器输入至光源切换装置；光源切换装置连接探测装置，所述探测装置连接所述数据处理装置。
优选的，所述声光调制模块用于将连续信号转换脉冲信号，同时实现移频，增大风速测量范围。
优选的，光源切换装置用于将两束光在固定周期内进行来回的切换。
本发明的有益效果
本发明能够方便简单的识别出尾流的存在，同时数据处理过程简单、应用成本较低，并且通过优化激光雷达装置，可以通过对不同距离处的尾流的识别，得到尾流在水平距离上的分布规律，从而间接的应用于风场信息测量需求中，避免了应用的单一化。具体的：
1、提供了一种识别风机尾流的数据处理方法，使用该方法处理尾流，识别精度高、处理流程简单，检测成本低。
2、采用脉冲激光雷达识别尾流，可以对尾流在水平距离上的分布特性进行识别，避免了单一点范围的尾流测量，对风场风机布置提供有效的参考。
3、采用脉冲宽度可调式激光雷达，可以扩展探测距离范围，减小脉冲雷达在探测距离上存在盲区的影响。
附图说明
图1为本发明尾流探测的方法流程图
图2为本发明尾流探测的雷达结构框图
图3为实施例中尾流与自由流频谱对比图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
本发明首先公开了尾流探测的方法，它包括以下步骤：
激光发射步骤：雷达发射两束激光探测上游风机并接收回波信号；包括滤波、傅里叶变换、频谱累加；通过滤波消除探测频段以外其他信号；通过傅里叶变换将难以处理的时域信号转换为易于分析的频域信号；通过频谱累加有效地提高信号的信噪比，完成对微弱信号的检测。
信号处理步骤：消除探测频段以外其它信号，并将难以处理的时域信号转换为易于分析的频域信号；包括频谱底噪去除、频谱峰值点识别、频谱半高宽识别；通过频谱底噪去除消除背景噪声，提高峰值点识别能力；通过频谱峰值点识别提取出多普勒信号所在位置；通过频谱半高宽识别获得每帧回波信号的频谱宽度w1、w2。
数据处理步骤：提取出多普勒信号所在位置，以获得两束激光的频率f1、f2；并识别每帧回波信号的频谱宽度w1、w2；
风速计算步骤：基于两束激光的频率f1、f2计算径向风速计算、湍流强度；
两束光的湍流强度通过下式获得：
Figure GDA0003160388890000041
Figure GDA0003160388890000042
式中，其中σ1，σ2分别为风速方差、
Figure GDA0003160388890000043
分别为均值风速，
Figure GDA0003160388890000044
Figure GDA0003160388890000045
N为一段时间内风速总个数。
阈值判别步骤：基于每帧回波信号的频谱宽度检测上游风机是否存在尾流；包括二阶中心距统计、阈值判断、尾流输出，其中：
二阶中心距统计：统计一段时间内两光束回波信号频谱宽度偏离均值的程度，D1、D2，
Figure GDA0003160388890000046
Figure GDA0003160388890000051
n表示一段时间内共获得n次回波信号，i表示其中第i次测量，w1、w2分别为两光束频谱宽度；
阈值判断：当W＞Z1并且T＞Zz时，则输出标志位1，表示存在尾流，否则输出标志位0，表示无尾流；
其中，Z1为频谱宽度门限值，Z2为湍流强度门限值，均为经验值；两束光频谱宽度偏差W＝abs(D1-D2)，湍流偏差T＝abs(σ1-σ2)。
尾流输出。
优选的，所述阈值判别步骤还包括尾流在水平距离上分布规律分析，通过最小二乘法拟合出两束光频谱宽度差与距离关系，计算公式：
Figure GDA0003160388890000052
其中：y为两束光的频谱宽度差，x为尾流与下游风机的距离，a、b为拟合系数。
该方案无论激光雷达装置是连续的、脉冲的、还是脉冲可调的，都可以识别出尾流，给出了识别尾流的一种数据处理方法。
结合图1，本发明还公开了一种尾流探测的数据处理装置，它包括激光发射模块、信号处理模块、数据处理模块、风速计算模块和阈值判别模块，分别对应执行前文所述的激光发射步骤、信号处理步骤、数据处理步骤、风速计算步骤和阈值判别步骤。
结合图2，本发明使用脉冲宽度可调激光雷达探测尾流，以解决背景技术中无法对上游风机与下游风机之间每段距离进行同时识别的问题。它包括本发明公开的尾流探测装置，还包括激光光源装置、声光调制装置、光源切换装置、探测装置、数据处理装置，激光器光源装置一方面连接声光调制装置，另一方面连接探测装置；声光调制装置接收脉冲信号，声光调制装置的信号输出端通过环形器输入至光源切换装置；光源切换装置连接探测装置，所述探测装置连接所述数据处理装置。
所述激光光源装置用于提供雷达所需激光源。
所述声光调制装置用于将连续信号转换脉冲信号，同时给调制器在0.5s内输入两种不同的脉冲宽度(前0.2s为窄脉冲、后0.3s为宽脉宽)，实现脉冲宽度切换，从而可以缩小脉冲激光雷达盲区，增大了探测距离范围，盲区由s＝ct/2决定，c为光速，t为脉冲宽度。声光调制模块另一作用是移频，增大风速测量范围。
所述光源切换装置是用于实现将两束光在1s内进行来回的切换。
所述探测装置用于实现光电信号的转换。
所述数据处理装置用于对尾流识别以及对尾流在水平方向变化规律进行识别。
结合图3，在某风场已用该方法识别某一时刻上游风机的尾流，通过利用上述数据处理及识别方法实时输出尾流，并通过选择合适的滑窗宽度及阈值判断，可以精准的对比出频谱宽度展宽及湍流变化情况，从图可以看出，存在尾流区的光束频谱明显比在自由流区的光束频谱要宽，并且风速较小，进而可以得到该时刻下游风机处于尾流之中，所测风速不足以提供风机主控用功率曲线预测，在进行风功率预测时，该时刻的风速应给予剔除，进一步提高了风电场发电量评估准确性。
使用本发明提供的技术方案，获得以下有益效果：
1、利用回波信号在尾流环境下频谱变化特性，通过激光雷达对比出不同光束的频谱宽度，从而确定出尾流。数据处理简单、检测成本低；
2、利用脉冲激光雷达识别尾流，可以识别尾流在水平距离上变化特性。避免了只能对单一点区域尾流的测量，可以为风场风机布置提供有效的参考。
3、利用脉冲宽度可调式激光雷达识别尾流，增大的探测范围，减小了脉冲激光雷达在探测距离存在盲区的影响。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种尾流探测的方法，其特征在于它包括以下步骤：
激光发射步骤：雷达发射两束激光探测上游风机并接收回波信号；
信号处理步骤：消除探测频段以外其它信号，并将难以处理的时域信号转换为易于分析的频域信号；
数据处理步骤：提取出多普勒信号所在位置，以获得两束激光的频率f1、f2；并识别每帧回波信号的频谱宽度w1、w2；
风速计算步骤：基于两束激光的频率f1、f2计算径向风速、湍流强度；
阈值判别步骤：基于每帧回波信号的频谱宽度检测上游风机是否存在尾流；
所述阈值判别步骤包括二阶中心距统计、阈值判断、尾流输出，其中：
二阶中心距统计：统计一段时间内两光束回波信号频谱宽度偏离均值的程度，D1、D2，
Figure FDA0003160388880000011
Figure FDA0003160388880000012
n表示一段时间内共获得n次回波信号，i表示其中第i次测量，w1i表示第i次测量获得的光束1的频谱宽度，
Figure FDA0003160388880000013
表示w1i的平均值；w2i表示第i次测量获得的光束2的频谱宽度，
Figure FDA0003160388880000014
表示w2i的平均值；
阈值判断：当W＞Z1并且T＞Z2时，则输出标志位1，表示存在尾流，否则输出标志位0，表示无尾流；
其中，Z1为频谱宽度门限值，Z2为湍流强度门限值，均为经验值；两束光频谱宽度偏差W＝abs(D1-D2)，湍流偏差T＝abs(σ1-σ2)，其中σ1，σ2分别为两束激光的风速标准差；
尾流输出。
2.根据权利要求1所述的一种尾流探测的方法，其特征在于所述信号处理步骤包括滤波、傅里叶变换、频谱累加；通过滤波消除探测频段以外其他信号；通过傅里叶变换将难以处理的时域信号转换为易于分析的频域信号；通过频谱累加有效地提高信号的信噪比。
3.根据权利要求1所述的一种尾流探测的方法，其特征在于所述数据处理步骤包括频谱底噪去除、频谱峰值点识别、频谱半高宽识别；通过频谱底噪去除消除背景噪声；通过频谱峰值点识别提取出多普勒信号所在位置；通过频谱半高宽识别获得每帧回波信号的频谱宽度w1、w2。
4.根据权利要求1所述的一种尾流探测的方法，其特征在于所述风速计算步骤，两束光的径向风速通过下式获得：
v1＝λ(f1-f0)/2
v2＝λ(f2-f0)/2
式中，λ为激光波长、f0为激光器中频、f1、f2分别为数据处理步骤获得的频率；
两束光的湍流强度通过下式获得：
Figure FDA0003160388880000021
Figure FDA0003160388880000022
式中，其中σ1，σ2分别为风速标准差、
Figure FDA0003160388880000023
分别为均值风速，
Figure FDA0003160388880000024
Figure FDA0003160388880000025
N为一段时间内风速总个数。
5.根据权利要求1所述的一种尾流探测的方法，其特征在于所述阈值判别步骤还包括尾流在水平距离上分布规律分析，通过最小二乘法拟合出两束光频谱宽度差与距离关系，计算公式：
Figure FDA0003160388880000026
其中：y为两束光的频谱宽度差，x为尾流与下游风机的距离，a、b为拟合系数。
6.一种尾流探测的数据处理装置，其特征在于它包括信号处理模块、数据处理模块、风速计算模块和阈值判别模块，分别对应执行权利要求1-5任一项所述的激光发射步骤、信号处理步骤、数据处理步骤、风速计算步骤和阈值判别步骤。
7.一种尾流探测的雷达，其特征在于它应用如权利要求6所述的数据处理装置，还包括激光器光源装置、声光调制装置、光源切换装置、探测装置，激光器光源装置一方面连接声光调制装置，另一方面连接探测装置；声光调制装置接收脉冲信号，声光调制装置的信号输出端通过环形器输入至光源切换装置；光源切换装置连接探测装置，所述探测装置连接所述数据处理装置。
8.根据权利要求7所述的一种尾流探测的雷达，其特征在于所述声光调制装置用于将连续信号转换脉冲信号，同时实现移频。
9.根据权利要求7所述的一种尾流探测的雷达，其特征在于光源切换装置用于将两束光在固定周期内进行来回的切换。
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Address after: 102209 building a, Huaneng talent innovation and entrepreneurship base, South District, future science and Technology City, Beiqijia Town, Changping District, Beijing

Patentee after: HUANENG CLEAN ENERGY Research Institute

Patentee after: Nanjing Mulai Laser Technology Co.,Ltd.

Address before: 102209 building a, Huaneng talent innovation and entrepreneurship base, South District, future science and Technology City, Beiqijia Town, Changping District, Beijing

Patentee before: HUANENG CLEAN ENERGY Research Institute

Patentee before: NANJING MOVELASER TECHNOLOGY Co.,Ltd.