CN112904371A - 一种海岛型测风激光雷达及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海岛型测风激光雷达及系统，包括：内腔，所述内腔包括光学接收系统、探测器、采集模块和工控机，所述光学接收系统与所述探测器连接，所述探测器与所述采集模块连接，所述采集模块与所述工控机连接。本发明提供的海岛型测风激光雷达及系统，能够大范围，高时空分辨率，高测量精度的海岛型测风激光雷达，使用激光遥感技术对海面0‑3km进行扫描，快速并细致地反映垂直高空内三维风场，有效解决浮标站及气象站以点带面的测量缺陷，相较风廓线雷达具有更高的时空分辨率和良好的晴空探测效果，体积小巧，安装简便，适应海岛环境。通过无线传输或卫星传输方式远程控制工作模式，对激光束进行启停与扫描设置。

Description

一种海岛型测风激光雷达及系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种海岛型测风激光雷达及系统。
背景技术
现有技术提供的海岛测风技术通过以下设备进行：
测风铁塔：探测高度有限，仅有几百米，无法得到整个海陆风风层的探测数据。
浮标站及气象站：浮标站与气象站多为单层观测、测风高度一般在10m左右,仅适于近海面风场的统计分析,较难满足实际需求。
散射计：分辨率过低(一般25km-50km)，尤其在近海岸由于受到陆地回波的影响，对散射计信号己经造成干扰，无法获取有效风场信息。
风廓线雷达：对强暴雨天气下信号响应良好，晴空大气湍流散射回波信号较弱，探测效果下降。体积庞大，安装不便。
探空气球：需人工值守，探空气球会随着风向下风向漂移，无法代表本地海陆风场，时间间隔长，数据率低。
综上，现有技术的所有缺点：海洋高层风场探测资料缺失，测量覆盖范围有限，时空分辨率低，受海洋复杂环境影响探测探测效果不稳定。
发明内容
本发明提供一种海岛型测风激光雷达及系统，解决了海洋高层风场探测资料缺失，测量覆盖范围有限，时空分辨率低，受海洋复杂环境影响探测探测效果不稳定的问题。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种海岛型测风激光雷达，包括：内腔，所述内腔包括光学接收系统、探测器、采集模块和工控机，所述光学接收系统与所述探测器连接，所述探测器与所述采集模块连接，所述采集模块与所述工控机连接。
优选的，所述内腔还包括激光器和光学发射系统，所述激光器与光学发射系统对应设置。
优选的，所述内腔还包括第一电源和UPS电源，所述第一电源分别与所述激光器、探测器、采集模块、工控机和UPS电源连接，所述UPS电源还与所述工控机连接。
优选的，所述内腔还包括通讯模块，所述通讯模块与所述工控机连接。
优选的，所述通讯模块包括包括无线数据传输系统、有线数据传输系统和卫星传输系统。
优选的，还包括外壳，所述外壳设置在所述内腔外。
优选的，外壳上设有雨刮器和雨感器。
一种海岛型测风系统，包括上述任一所述的海岛型测风激光雷达。
通过实施以上技术方案，具有以下技术效果：本发明提供的海岛型测风激光雷达及系统，能够大范围，高时空分辨率，高测量精度的海岛型测风激光雷达，使用激光遥感技术对海面0-3km进行扫描，快速并细致地反映垂直高空内三维风场，有效解决浮标站及气象站以点带面的测量缺陷，相较风廓线雷达具有更高的时空分辨率和良好的晴空探测效果。体积小巧，安装简便，适应海岛环境。通过无线传输或卫星传输方式远程控制工作模式，对激光束进行启停与扫描设置。
附图说明
图1为本发明提供的一种海岛型测风激光雷达及系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例。
实施例一
如图1所示，可以理解，本实施例提供的一种海岛型测风激光雷达，包括：内腔，所述内腔包括光学接收系统、探测器、采集模块和工控机，所述光学接收系统与所述探测器连接，所述探测器与所述采集模块连接，所述采集模块与所述工控机连接。所述内腔还包括激光器和光学发射系统，所述激光器与光学发射系统对应设置。
在本实施例中，光学发射系统由光学分束器、声光调制器、脉冲光纤放大器、光学天线和望远镜组成。激光器产生的激光束经过光学分束器后分为两路，一路作为本振信号f0留在相干接收机中，另一路经过声光调制器(AOM)调制和脉冲光纤放大器放大后变为高功率激光信号f0+AOM，经过光学环形器后由光学天线发射向空间。声光调制器使激光的频率产生固定的频率差，此频率差可以消除相同大小的正负径向速度差产生的频率差相同所造成的速度方向模糊问题。单频脉冲激光器经过功率放大，出射激光具有较高的能量，进而保证激光雷达具有较远的探测距离。
光学接收系统由反射式望远镜、光环形器和光纤耦合器组成。反射式望远镜用于接收带有多普勒频移的回波信号，经过光环形器与本振信号经光纤耦合器进行混频干涉处理。
探测器为InGaAs-APD光电探测器，具有低噪声和高灵敏度的特点，将拍频后的两束光波信号转换为电信号。
采集模块由模数转换器和数据处理板卡DSP组成，将电模拟信号转为可处理数字信号，数据处理板卡DSP对采样得到的信号进行快速傅里叶变换，从而计算出风场。
在本实施例中，所述光学发射系统将激光器的光源扩束准直后发射出去；光学接收接装置将大气中的回波信号会聚到探测器；探测器将光学信号转换成电子信号；采集模块对所述探测器传输出来的信号和参考光进行采样，获得各个距离门内的多普勒频率，具体的，采用DSP采集卡处理接收的外差电信号。系统给出触发命令，激光发射一束激光脉冲，同时触发APD光电探测器打开工作，并进行数据采集。在每个采集门内利用脉冲分析获得各个距离门内的多普勒频率。经过连续多个脉冲的测量后(例如1000个脉冲)，累加所有脉冲的频谱，最终确定多普勒频率按照各个距离门(时间间隔)的分布，或多普勒随距离的分布。每个径向分布结束后，开始下一个方向的径向速度分布测量，直到完成预定的方向数。所有方位的径向多普勒测量结束后，工控机对采集模块进行设置，对采样数据进行处理，工控机根据矢量合成原理得到风速的大小和方向，计算出风场数据。
实施例二
如图1所示，本实施例提供的一种海岛型测风激光雷达，所述内腔还包括第一电源和UPS电源(不间断电源)，所述第一电源分别与所述激光器、探测器、采集模块、工控机和UPS电源连接，所述UPS电源还与所述工控机连接，所述第一电源为市电电网，或采用风能、太阳能或风光互补系统。在本实施例中，所述第一电源为激光器、探测器、采集模块、工控机以及UPS电源提供电源，UPS电源对蓄电池进行充电，作为备用工作电源。所述UPS电源给工控机供电，提供工控机的主板在应急断电的情况能够正常关机，保证在意外断电情况下实现连续供电。
所述内腔还包括通讯模块，所述通讯模块与所述工控机连接；所述通讯模块包括包括无线数据传输系统、有线数据传输系统和卫星传输系统。所述无线数据传输系统包括GPRS通信模块、WiFi网络模块、卫星通讯模块。在远海区域可通过卫星通讯系统传输数据至岸基终端服务器，既能实时收集测风激光雷达采集的数据，又能实现对测风激光雷达的远程监控、调试与管理。
本实施例中，海岛型测风激光雷达还包括外壳，所述外壳设置在所述内腔外，所述外壳进行了防盐雾处理。外壳上设有雨刮器和雨感器。海岛型测风激光雷达一体化设计，体积小巧，安装简便，IP67防护等级，设备分为内腔和外壳两层设计，外壳夏日太阳光直射，隔绝外部热量，内腔为全密封设计，防水、防潮。所有电线接头采用防水接头、门缝均有密封防水胶条；外壳进行了防盐雾处理，以适应海边高盐碱、高湿度的环境条件。在海域的石油平台、岛屿的合适地点安装测风激光雷达，对海面数千米纵深范围内的区域进行固定锥角扫描，获取海面上0-3千米不同高度层的高分辨率风场信息。另外，外壳上配备了小型雨刮器、雨感器，雨天可以实现自动镜面清洗，防止窗口镜片积水。
实施例三
如图1所示，本实施例提供的一种海岛型测风系统，包括上述任一实施例所述的海岛型测风激光雷达，光学发射系统将激光器的光源扩束准直后发射出去；光学接收接装置将大气中的回波信号会聚到探测器；探测器将光学信号转换成电子信号；采集模块对所述探测器传输出来的信号和参考光进行采样，获得各个距离门内的多普勒频率，具体的，采用DSP采集卡处理接收的外差电信号。系统给出触发命令，激光发射一束激光脉冲，同时触发APD光电探测器打开工作，并进行数据采集。在每个采集门内利用脉冲分析获得各个距离门内的多普勒频率。经过连续多个脉冲的测量后(例如1000个脉冲)，累加所有脉冲的频谱，最终确定多普勒频率按照各个距离门(时间间隔)的分布，或多普勒随距离的分布。每个径向分布结束后，开始下一个方向的径向速度分布测量，直到完成预定的方向数。所有方位的径向多普勒测量结束后，工控机对采集模块进行设置，对采样数据进行处理，工控机根据矢量合成原理得到风速的大小和方向，计算出风场数据。
以上对本发明实施例所提供的一种海岛型测风激光雷达及系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种海岛型测风激光雷达，其特征在于，包括：内腔，所述内腔包括光学接收系统、探测器、采集模块和工控机，所述光学接收系统与所述探测器连接，所述探测器与所述采集模块连接，所述采集模块与所述工控机连接。
2.根据权利要求1所述的海岛型测风激光雷达，其特征在于，所述内腔还包括激光器和光学发射系统，所述激光器与光学发射系统对应设置。
3.根据权利要求2所述的海岛型测风激光雷达，其特征在于，所述内腔还包括第一电源和UPS电源，所述第一电源分别与所述激光器、探测器、采集模块、工控机和UPS电源连接，所述UPS电源还与所述工控机连接。
4.根据权利要求1所述的海岛型测风激光雷达，其特征在于，所述内腔还包括通讯模块，所述通讯模块与所述工控机连接。
5.根据权利要求4所述的海岛型测风激光雷达，其特征在于，所述通讯模块包括包括无线数据传输系统、有线数据传输系统和卫星传输系统。
6.根据权利要求1所述的海岛型测风激光雷达，其特征在于，还包括外壳，所述外壳设置在所述内腔外。
7.根据权利要求6所述的海岛型测风激光雷达，其特征在于，外壳上设有雨刮器和雨感器。
8.一种海岛型测风系统，包括上述权利要求1至权利要求7任一所述的海岛型测风激光雷达。
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