CN112269190A - 一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达 - Google Patents

一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，把光纤探头及光楔扫描作为一体设计为探测机构，探测机构与360度旋转的中空电机一起安装于风机上方用于不同方位测风；把控制、采集、信号处理、激光光源、探测器等设计为一体称为采集处理部分，安装于风机内部。内外部设备通过光纤连接采集光信号。通过本发明，能够实现风机周边不同距离区域内的大气风场测量，为风机偏航控制、降低风机载荷、辅助风机主控及效率曲线测试等功能提供精确的数据支持，从而有效提升风电机组的效率。

Description

一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达
技术领域
本发明涉及激光测风技术领域，更具体地说，涉及一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达。
背景技术
目前国内外激光雷达普遍采用一体化结构设计，特别在风机上的测风雷达，一体化结构设计的激光测风雷达因为重量大，光电设备全部置于风机上方，风场环境使得激光雷达稳定性和元器件寿命受到不同程度的影响。
发明内容
本发明提供了一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，针对风机选址、风能高效利用及安全防护的应用需求，开展分体式360度扫描式自动变焦激光测风雷达设备研制，实现风机周边不同距离区域内的大气风场测量，为风机偏航控制、降低风机载荷、辅助风机主控及效率曲线测试等功能提供精确的数据支持，从而有效提升风电机组的效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，包括：激光光源、光环形器、光接收机、探测机构及信息处理机构；其中，激光光源、光环形器、光接收机及信息处理机构固定集成于第一保护盒体内，探测机构固定设置于第二保护盒体内；第一保护盒体及第二保护盒体通过一中空电机连接；中空电机的定子与第一保护盒体固定连接，中空电机的转子与第二保护盒体连接，通过控制中空电机的转子转动，以使第二保护盒体中的探测机构实现360度多方位测量；光环形器的探测光纤通过中空电机的中空通道，从第一保护盒体伸入至第二保护盒体内，发出激光并进行探测；中空电机的控制装置设置于第一保护盒体内。
其中，探测机构包括光纤探头、第一透镜、第二透镜及光楔；其中，所述光纤探头用于固定从中空电机的中空通道伸出的探测光纤，所述第一透镜、第二透镜和光楔依序设置于所述探测光纤的光路上，所述第二保护盒体的侧壁上设置一保护性玻璃透镜，以使探测光纤的激光光线从第二保护盒体中射出。
其中，信息处理机构包括依序连接的混频器、探测器、放大器、AD采样器及信号处理显示器；其中，混频器连接光环形器的不同端口，分别接收激光光源产生的初始激光及经探测机构回传的激光信号进行混频，输出的光信号经过探测器进行光电转换，转换为电信号，通过放大器、AD采样器及信号处理显示器对差频电信号的放大、滤波、AD采样及信号处理，完成光束方向上的风速测量。
其中，光楔通过另一电机控制旋转，以使激光测风雷达采用光楔旋转扫描光束测量；电机固定于第二保护盒体内。
其中，通过调节光纤探头和第一透镜之间的相对距离，实现风力测量的自动变焦。
其中，通过中空电机控制，使探测光纤在平分圆周的8个角度分别进行探测。
区别于现有技术，本发明的分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，把光纤探头及光楔扫描作为一体设计为探测机构，探测机构与360度旋转的中空电机一起安装于风机上方用于不同方位测风；把控制、采集、信号处理、激光光源、探测器等设计为一体称为采集处理部分，安装于风机内部。内外部设备通过光纤连接采集光信号。通过本发明，能够实现风机周边不同距离区域内的大气风场测量，为风机偏航控制、降低风机载荷、辅助风机主控及效率曲线测试等功能提供精确的数据支持，从而有效提升风电机组的效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达的结构示意图。
图2是本发明提供的一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达的信号处理机构的结构示意图。
图3是本发明提供的一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达光楔旋转扫描光束测量的示意图。
图4是本发明提供的一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达的扫描设置示意图。
图5是本发明提供的一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达的光楔的角度设置示意图。
图6是本发明提供的一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达的激光测风雷达几何解算关系示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1，本发明提供了一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，包括：激光光源1、光环形器2、光接收机3、探测机构4及信息处理机构5；其中，激光光源1、光环形器2、光接收机3及信息处理机构5固定集成于第一保护盒体6内，探测机构4固定设置于第二保护盒体7内；第一保护盒体6及第二保护盒体7通过一中空电机8连接；中空电机8的定子与第一保护盒体6固定连接，中空电机的转子与第二保护盒体7连接，通过控制中空电机的转子转动，以使第二保护盒体7中的探测机构4实现360度多方位测量；光环形器2的探测光纤21通过中空电机8的中空通道，从第一保护盒体6伸入至第二保护盒体7内，发出激光并进行探测；中空电机8的控制装置84设置于第一保护盒体6内。
其中，探测机构4包括光纤探头41、第一透镜42、第二透镜44及光楔43；其中，光纤探头41用于固定从中空电机8的中空通道伸出的探测光纤，第一透镜42、第二透镜44和光楔43依序设置于所述探测光纤的光路上，第二保护盒体7的侧壁上设置一保护性玻璃透镜，以使探测光纤41的激光光线从第二保护盒体7中射出。
其中，信息处理机构5包括依序连接的混频器51、探测器52、放大器53、AD采样器54及信号处理显示器55；其中，混频器51连接光环形器2的不同端口，分别接收激光光源1产生的初始激光及经探测机构4回传的激光信号进行混频，输出的光信号经过探测器52进行光电转换，转换为电信号，通过放大器53、AD采样器54及信号处理显示器55对差频电信号的放大、滤波、AD采样及信号处理，完成光束方向上的风速测量。
其中，光楔43通过另一电机控制旋转，以使激光测风雷达采用光楔43旋转扫描光束测量；电机固定于第二保护盒体7内。
其中，通过调节光纤探头41和第一透镜42之间的相对距离，实现风力测量的自动变焦。
其中，通过中空电机8控制，使探测光纤21在平分圆周的8个角度分别进行探测。
由于相干探测体制的激光雷达具有体积小、重量轻、功耗低、精度高的特性，使得相干激光测风雷达具有广阔的应用市场，如风能选址、机场风切变监测、气象预报等领域。
按照工作方式的不同，相干激光测风雷达分为连续波式测风雷达和脉冲式测风雷达。
脉冲式相干激光测风雷达通过向大气中发射脉冲激光，由接收天线接收大气的散射信号，并利用光速传输时间与距离的一一对应关系，确定距离；通过对不同距离上散射回波光束的多普勒效应信号的处理、提取和解算，实现大气风场的测量。与连续波测风雷达相比，脉冲激光雷达由于激光峰值高，能够有效实现远距离上的大气风场测量(最远距离可达1km～15km)，且距离分辨率不受探测距离的影响。但脉冲式相干测风雷达也存在着系统构建复杂，价格昂贵，测速分辨率受脉冲宽度的影响等缺点。
连续波式激光测风雷达通过向大气空间发射连续波激光，利用光学天线的定焦特性，实现固定区域距离上的大气风场测量。连续波式激光测风雷达同样利用了激光的多普勒效应，由于激光测量时光束一直存在，使得连续波式激光测风雷达的风速测量精度和分辨率非常高，通常可达厘米每秒到毫米每秒的测速精度。连续波式激光测风雷达具有系统构建相对简单，价格相对便宜，安全性较高，测量精度高的技术优势。
鉴于目前风机应用的测量特点和客户的应用需求，本发明采用连续波式旋转激光雷达方式实现大气风场的风速风向测量。
连续波式激光测风雷达属于非接触式激光雷达设备，不会对风场的真实环境产生影响。该激光雷达是利用激光的多普勒效应来实现大气风场测量的，信息处理机构5的工作原理如图2所示。
从激光光源1输出的激光经过光放大后实现高功率的激光输出，输出后的激光经过偏振控制器后实现光束的偏振态的控制，控制后的激光由耦合器输出两路，一路作为本振光束，一路作为信号光束。为了实现多个方向的同时测量，降低成本，提高单目使用率，采用单目旋转方式测量不同方位的风速。信号光束经过光环形器2连接到光纤探头41，光纤探头41除了完成激光的发射，还实现目标散射信号的接收功能。从大气散射的后向回波信号经光学天线收集后由光环形器2的返回端输出，并与本振光束一起进入混频器51，实现外差光信号的混频，混频后的差频信号送往探测器52进行光电转换，并通过对差频电信号的放大、滤波、AD采样及信号处理，完成光束方向上的风速测量。通过旋转光楔扫描实现正前方30度圆锥角扫描，扫描一圈定位8个以上不同角度上的光束测量和反演，根据8个以上定位测量点的数据综合输出风场的速度信息和方向信息。
激光测风雷达从光纤探头41发射的激光信号发射到待测空气中后，与其中的气溶胶粒子相互作用产生包含其速度信息的后向散射信号。由多普勒原理可知，回波信号的多普勒频移与气溶胶粒子的运动速度(即风速)成一一对应关系，因此，由风造成的气溶胶粒子的运动将对发射激光光束的光频率产生移动，通过光学天线收集光频移后的散射信号，并与内部激光本振信号在混频器上混频、数字解调和提取，即可处理得到待测目标区域的风场信息。
为了尽可能多获得风场的信息，激光测风雷达采用光楔旋转扫描光束测量方式。单镜筒光学旋转扫描光线为圆锥布局，其布局结构如图3所示。图4扫描圆锥的夹角设置为30°，扫描圆上面的8个圆圈点表示8个不同方向的径向风速测量，以及光束几何关系，即可实现大气风速和风向的反演及测量功能。
激光测风雷达几何解算关系如图6所示。
激光雷达光楔扫描光束定位8个测风点，以A,B两点为例测量区域的解算如下。激光测风雷达处于OXYZ坐标系的O点，A、B为出射的两束激光方向，A′、B′分别为A、B在水平平面内的投影。由于激光测风雷达在应用时主要由测量的风速方向控制风机的转向，因此，我们以风速方向与投影OA′和OB′的中心线的夹角作为参考变量，如图中所示ω。通过几何关系解算可知，OA′上的风速分量为：
Figure BDA0002693637060000061
其中，V为水平风速，ω为发射信号角频率，θ为扫描方位角；
同理可知，在OB′上的风速分量为：
Figure BDA0002693637060000062
通过公式(1)和公式(2)可知：
Figure BDA0002693637060000071
通过分解公式可知,风场的风速方向ω为：
Figure BDA0002693637060000072
由于
Figure BDA0002693637060000073
和
Figure BDA0002693637060000074
分别为VA和VB在水平面内的投影，因此有如下关系式：
Figure BDA0002693637060000075
Figure BDA0002693637060000076
从而可知，
Figure BDA0002693637060000077
当VA＞VB时，ω为正，反之为负。
在解算出风向信息后，将ω的值代入公式1，即可求出水平风速V的大小，从而实现了水平风速和风向的同时测量。其他点同理，且增加测量点可以提高测风精度。
一般将存在一定角度偏差的棱镜叫作光楔，光楔一般用来改变出射光方向，光楔在旋转过程中会产生锥形扫描，如下图所示，在光线垂直或接近垂直射入光楔时，偏向角θ＝(n-1)α。其中n为光楔介质的折射率,α为光楔的楔角。因此产生的偏折很小，且与入射角无关。
如图5所示，利用菲涅耳公式，基本计算如下：
sinI1＝nsinI1′,nsinI2＝sinI2′
δ＝I1-I′1+(I2-I′2),α＝I′1-I2
α+δ＝I1-I′2
Figure BDA0002693637060000078
对于给定的大角度棱镜，α和n为定值，一般光楔使用时,I1、I1′、均接近于0度，则方程可以简化为：
nsinα＝sin(α+δ)
其中δ为扫描锥角的一半。
本发明在进行自动变焦时：
如图6所示，设定L1和L2分别为两个透镜，组合焦距为：
Figure BDA0002693637060000081
扩束比M为：
Figure BDA0002693637060000082
设计自动变焦实现不同距离的测风，通过电机控制光纤端面到透镜的距离来改变束腰位置，从而达到改变焦距的目的。因为光纤出来的光很快发散，准直器的光斑直径大约400微米，光纤光斑直径不到10微米，准直器的最大工作距离通常理解为输出光斑的共焦参数，公式为：3.1415926*束腰半径*束腰半径/波长。
根据高斯函数表达式：
Figure BDA0002693637060000083
结合zemax软件测量不同离焦位置与会聚位置对应设计如表1所示：
Figure BDA0002693637060000084
Figure BDA0002693637060000091
表1离焦位置与会聚位置对应关系表
区别于现有技术，本发明的分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，把光纤探头及光楔扫描作为一体设计为探测机构，探测机构与360度旋转的中空电机一起安装于风机上方用于不同方位测风；把控制、采集、信号处理、激光光源、探测器等设计为一体称为采集处理部分，安装于风机内部。内外部设备通过光纤连接采集光信号。通过本发明，能够实现风机周边不同距离区域内的大气风场测量，为风机偏航控制、降低风机载荷、辅助风机主控及效率曲线测试等功能提供精确的数据支持，从而有效提升风电机组的效率。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，包括：激光光源、光环形器、光接收机、探测机构及信息处理机构；其中，激光光源、光环形器、光接收机及信息处理机构固定集成于第一保护盒体内，所述探测机构固定设置于第二保护盒体内；其特征在于，所述第一保护盒体及第二保护盒体通过一中空电机连接；所述中空电机的定子与所述第一保护盒体固定连接，所述中空电机的转子与所述第二保护盒体连接，通过控制所述中空电机的转子转动，以使所述第二保护盒体中的探测机构实现360度多方位测量；所述光环形器的探测光纤通过所述中空电机的中空通道，从第一保护盒体伸入至第二保护盒体内，发出激光并进行探测；所述中空电机的控制装置设置于所述第一保护盒体内。
2.根据权利要求1所述的分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，其特征在于，所述探测机构包括光纤探头、第一透镜、第二透镜及光楔；其中，所述光纤探头用于固定从中空电机的中空通道伸出的探测光纤，所述第一透镜、第二透镜和光楔依序设置于所述探测光纤的光路上，所述第二保护盒体的侧壁上设置一保护性玻璃透镜，以使探测光纤的激光光线从第二保护盒体中射出。
3.根据权利要求1所述的分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，其特征在于，所述信息处理机构包括依序连接的混频器、探测器、放大器、AD采样器及信号处理显示器；其中，所述混频器连接光环形器的不同端口，分别接收激光光源产生的初始激光及经探测机构回传的激光信号进行混频，输出的光信号经过探测器进行光电转换，转换为电信号，通过放大器、AD采样器及信号处理显示器对差频电信号的放大、滤波、AD采样及信号处理，完成光束方向上的风速测量。
4.根据权利要求1所述的分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，其特征在于，所述光楔通过另一电机控制旋转，以使激光测风雷达采用光楔旋转扫描光束测量；所述电机固定于第二保护盒体内。
5.根据权利要求2所述的分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，其特征在于，通过调节所述光纤探头和所述第一透镜之间的相对距离，实现风力测量的自动变焦。
6.根据权利要求1所述的分体式自动变焦360度旋转光楔扫描激光测风雷达，其特征在于，通过中空电机控制，使探测光纤在平分圆周的8个角度分别进行探测。
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