CN111398992A - 移动分体式激光雷达 - Google Patents

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Abstract

一种能够在移动式平台上实现移动过程中自动化观测、姿态补偿、环境数据采集的高精度分体式激光多普勒雷达三维风场剖面探测系统。包括测风激光雷达光学扫描部分、测风激光雷达数据采集处理部分、移动载具、稳定平台、大气参数测量模块、水面参数测量模块，平台姿态与运动状态测量模块、卫星定位模块、热管理模块、数据显示模块、供电模块和通信单元组成。其中，若安装稳定平台时，测风激光雷达光学扫描部分、平台姿态与运动状态测量模块、卫星定位模块、热管理模块安装在稳定平台上，稳定平台再与大气参数测量模块、通信单元直接安装于移动载具的安装板上，否则上述功能模块直接安装在移动载具的安装板上。

Description

移动分体式激光雷达
技术领域
本发明属于三维风场探测系统领域，尤其是一种能够在移动状态下实现自动化观测、姿态补偿、环境数据采集的移动平台激光雷达三维风场剖面探测系统。
背景技术
在风电测风领域、气象领域与军事领域，传统测风塔建设成本高，建设周期长，特别在复杂地形区域与深海洋面施工困难，一旦建成一般无法移动，并且风塔采用机械风杯测量，故障率高，测量精度差。放飞探空气球则存在时间与地域的局限，且每次使用特定空域需要经过相关部门繁琐审批，自由性与可操作性大大降低。如将测风数据用于实战时修正导弹弹道轨迹，固定式的测风装置自身容易受到敌方精确定点打击，生存力较低，对军队战斗力形成了制约。传统的固定式激光测风雷达如果直接在移动过程中使用，由于设备持续晃动与自身移动将使测量数据产生偏差。
移动分体式激光测风雷达可全天候在行进途中不间断测量雷达上方几十米至几千米处的风速风向，根据姿态与速度传感器生成的实时数据校正由于持续晃动与移动带来的风速风向测量误差，输出正确的水平风速风向数据。使用该系统无需投资建设测风塔，无需为放飞探空气球经历复杂审批，可在野外复杂地形或水域中快速移动测量，具备很强的灵活性与生存力。系统具备的可接受多种类电源宽电压供电能力、极端环境适应性能力、适合多载具安装运输能力显著提升了其适用性与可靠性，也同时保证了用户的投资回报率。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明一种能够满足在移动式平台上实现自动化观测、姿态补偿、环境数据采集的高精度分体式激光雷达三维风场剖面探测系统。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：移动分体式激光雷达，包括测风激光雷达光学扫描部分、测风激光雷达数据采集处理部分、移动载具、稳定平台、大气参数测量模块、水面参数测量模块，平台姿态与运动状态测量模块、卫星定位模块、热管理模块、数据显示模块、供电模块和通信单元组成。其中，若安装稳定平台时，测风激光雷达光学扫描部分、平台姿态与运动状态测量模块、卫星定位模块、热管理模块安装在稳定平台上，稳定平台再与大气参数测量模块、通信单元直接安装于移动载具的安装板上，否则上述功能模块直接安装在移动载具的安装板上，测风激光雷达数据处理部分、供电模块安装在移动载具设备舱内部，水面参数测量模块安装在移动载具的底部，所述测风激光雷达光学扫描部分、大气参数测量模块、水面参数测量模块、供电模块、通信模块平台姿态与运动状态测量模块、卫星定位模块、数据显示模块分别和测风激光雷达数据采集处理部分相连，最终数据通过通信模块发送至远程客户端，也可通过数据显示模块实时显示。
所述测风激光雷达光学扫描部分、测风激光雷达数据采集处理部分用于观测激光束传播路径上的后向散射信号，通过分析其多普勒频移信息得到不同距离处的径向风速，随后通过平台姿态与运动状态测量模块的惯性测量单元提供的数据补偿由平台晃动造成的激光束相对大地坐标系的角度偏差，通过卫星定位数据提供的运动速度参数校正径向风速速度偏差，最终反演计算得到正确的水平风速与风向数据。所述测风激光雷达光学扫描部分可视现场环境采用气密结构防止内部结露，或采用主动透气除湿装置排出内部水蒸气，在所述测风激光雷达光学扫描部分的光学窗口的外侧安装有雨刮器用于清洁光窗外表面。
所述移动载具用于安装与移动分体式激光雷达三维风场剖面探测系统，具体种类包含但不限于车辆、船舶、飞行器、随身附着有适当转接结构的人或动物、水面漂浮物、浮式海洋平台、机器人等。
所述大气参数测量模块作为可选模块和测风激光雷达数据采集处理部分相连，用于检测大气温度、湿度、压强和风速风向等环境参数，为激光雷达测风提供基础数据。
所述水面参数测量模块作为可选模块和测风激光雷达数据采集处理部分相连，用于观测波浪、水下温度、流速、盐度、浊度等水体环境参数。
所述平台姿态与运动状态测量模块和测风激光雷达数据采集处理部分相连，其生成的数据用来补偿平台运动产生的误差。
所述热管理模块用于控制暴露在移动载具设备舱外的各个功能模块工作温度。
所述数据显示模块作为可选模块和测风激光雷达数据采集处理部分相连，用于实时数据产品显示与作为系统设置时的人机交互界面。
所述供电模块用于给整套系统供电，包含但不限于太阳能电池、燃料电池、锂电池、风力发电机、汽柴油发电机等。
所述稳定平台用于将移动载具和测风激光雷达光学扫描部分相隔离，用于过滤由移动载具在运动中传来的高频率冲击力并辅助保持测风激光雷达光学扫描部分姿态稳定，缓解移动过程中的振动冲击与过量位移对系统造成的不利影响，稳定平台可以是被动式动力减振隔振器或主动式多自由度伺服稳定装置。
(三)有益效果
本发明提供了移动分体式激光雷达。与现有技术相比具备以下有益效果：
(1)、将移动平台和激光测风雷达相结合，克服了传统固定式测风雷达与测风塔仅能进行固定位置观测的缺陷，将激光测风技术的应用扩展到多种移动载具上，实现了移动状态下真实、实时、连续、可靠的三维风剖面测量。本发明具有使用灵活、适应性强、应用成本低、测量准确可靠的特点，是传统地表与高空气象观测系统测量数据的重要补充，为气象预报、资源勘查、军事保障、航空航天等应用提供了全新的选择。
附图说明
图1为本发明系统结构安装图；
图2为本发明的各个模块电气连接图。
图中，1、为供电模块，2、为平台姿态与运动状态测量模块，3、测风激光雷达光学扫描部分，4、为卫星定位模块，5、为热管理模块模块，6、为稳定平台、7、为通信单元,8、为大气参数测量模块，9、是移动载具,10、为测风激光雷达数据采集处理部分，11、为水面参数测量模块，12、为数据显示模块。
具体实施方式
对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明实施例提供一种技术方案：移动分体式激光雷达，包括测风激光雷达光学扫描部分3、测风激光雷达数据采集处理部分10、移动载具9、平台姿态与运动状态测量模块2、卫星定位模块4、热管理模块5、数据显示模块12、供电模块1和通信单元7组成，可选装稳定平台6、大气参数测量模块8、水面参数测量模块11，其中，若安装稳定平台6时，测风激光雷达光学扫描部分3、平台姿态与运动状态测量模块2、卫星定位模块4、热管理模块5安装在稳定平台6上，稳定平台6再与大气参数测量模块8、通信单元7直接安装于移动载具9的安装板上，否则上述功能模块直接安装在移动载具9的安装板上。测风激光雷达数据处理部分10、供电模块1安装在移动载具9设备舱内部，水面参数测量模块11安装在移动载具9的底部。测风激光雷达光学扫描部分3、大气参数测量模块8、水面参数测量模块11、供电模块1、通信模块7平台姿态与运动状态测量模块2、卫星定位模块4、数据显示模块12分别和测风激光雷达数据采集处理部分10相连，最终数据通过通信模块7发送至远程客户端，也可通过数据显示模块12实时显示。
移动分体式激光雷达三维风场剖面探测系统，运行过程包含如下内容：
1、激光雷达根据被测空间三维风场剖面需要的空间尺度与时空分辨率对被测空间进行持续或间断性扫描；
2、系统观测激光传播路径上的后向散射信号，通过分析其多普勒频移信息得到不同距离处的径向风速；
3、使用平台姿态与运动状态测量模块2输出的姿态数据补偿由平台晃动造成的激光束相对大地坐标系的角度偏差，通过输出的速度数据校正径向风速偏差，最终反演计算得到正确的水平风速与风向数据。在本实施例中使用了移动平台的惯性测量单元IMU的姿态数据和卫星定位数据来补偿平台运动产生的误差，优选地，惯性测量单元IMU包含陀螺仪、加速度计。该模块提供移动平台的角度、角速度、角加速度、速度、加速度、绝对位置等信息；
4、综合可选装的大气参数测量模块8、水面参数测量模块11生成的数据，经测风激光雷达数据采集处理部分10压缩打包后再由通信模块7实时或间歇地传送至远程服务器。
本发明将移动平台和激光测风雷达相结合，克服了传统固定式测风雷达与测风塔仅能进行固定位置观测的缺陷，将激光测风技术的应用扩展到多种移动载具上，实现了不限地域、在移动过程中真实、实时、连续、可靠的三维风剖面测量，大大拓展了激光测风雷达的应用场合。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.移动分体式激光雷达，其特征在于，包括测风激光雷达光学扫描部分(3)、测风激光雷达数据采集处理部分(10)、移动载具(9)、平台姿态与运动状态测量模块(2)、卫星定位模块(4)、热管理模块(5)、数据显示模块(12)、供电模块(1)和通信单元(7)组成，所述测风激光雷达数据处理部分(10)、供电模块(1)安装在移动载具(9)设备舱内部，水面参数测量模块(11)安装在移动载具(9)的底部，所述测风激光雷达光学扫描部分(3)、大气参数测量模块(8)、水面参数测量模块(11)、供电模块(1)、通信模块(7)平台姿态与运动状态测量模块(2)、卫星定位模块(4)、数据显示模块(12)分别和测风激光雷达数据采集处理部分(10)相连。
2.根据权利要求1所述的移动分体式激光雷达，其特征在于：所述测风激光雷达光学扫描部分(3)与测风激光雷达数据采集处理部分(10)通过激光器光源向大气发射激光束，接收大气(气溶胶粒子和尘埃)的后向散射信号，通过分析激光传播路径上的后向散射信号多普勒频移信息得到不同距离处的径向风速，随后通过平台姿态与运动状态测量模块(2)提供的角度数据补偿由平台晃动造成的激光束相对大地坐标系的角度偏差，并通过卫星定位模块(4)提供的数据或平台姿态与运动状态测量模块(2)提供的运动速度数据校正径向风速偏差，最终反演计算得到正确的水平风速与风向数据。
3.根据权利要求1所述的移动分体式激光雷达，其特征在于：所述测风激光雷达光学扫描部分(3)的结构可完全气密或安装主动透气除湿装置，并在激光发射光窗外侧安装雨刮器。
4.根据权利要求1所述的移动分体式激光雷达，其特征在于：所述大气参数测量模块(8)可选装，用于测量大气的温度、湿度、压强和风速风向等环境参数，为激光雷达测风系统提供数据补充。
5.根据权利要求1所述的移动分体式激光雷达，其特征在于：所述水面参数测量模块(11)可选装，用于观测波浪、水下温度、流速、盐度、浊度等水体环境参数。
6.根据权利要求1所述的移动分体式激光雷达，其特征在于：所述平台姿态与运动状态测量模块(2)用于检测系统相对大地坐标系的相对角度与相对速度数据，用来补偿因平台运动产生的测量误差。
7.根据权利要求1所述的移动分体式激光雷达，其特征在于：整体系统的输出数据可通过可选装的数据显示模块(12)进行实时现场显示。
8.根据权利要求1所述的移动分体式激光雷达，其特征在于：整体系统的可由多种不同电压电源供电，适应多种电源和恶劣供电环境。
9.根据权利要求1所述的移动分体式激光雷达，其特征在于：所述测风激光雷达光学扫描部分(3)与移动载具(9)之间可选装稳定平台(6)，用于过滤由移动载具(9)传来的高频冲击力并辅助保持测风激光雷达光学扫描部分(3)姿态稳定，缓解移动过程中的振动冲击与过量位移对系统测量造成的不利影响。
10.根据权利要求1所述的移动分体式激光雷达，其特征在于：所述热管理模块(5)可选装，用于控制系统温度。
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