CN113138291A - 一种煤矿用激光测风雷达系统及测风方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤矿用激光测风雷达系统及测量方法，所述系统中工控机分别连接激光器、偏转棱镜、预处理组件和旋转角位移传感器，预处理组件经A/D数采模块和光电探测器连接耦合器，激光器经隔离器一方面连接环形器，另一方面经衰减器连接耦合器；耦合器和环形器经光缆与光学镜头连接；偏转棱镜设置在光学镜头前端；旋转机构用于在工控机的控制下旋转偏转棱镜，使光学镜头的出射光束经偏转棱镜偏转后形成的聚焦点通过旋转形成一个圆形区域。本发明采用激光直接作用于气溶胶，能够直接反映出测量点速度，可以实现矿井内巷道断面层多点测量，并且理论精度和实测结果远超过现有任何风速测量设备，可以广泛的在矿井内部进行风速、风量的测试。

Description

一种煤矿用激光测风雷达系统及测风方法

技术领域

本发明涉及煤矿用测风技术领域，具体而言，涉及一种煤矿用激光测风雷达系统及测风方法。

背景技术

由于空气具有粘性和井巷壁面有一定的粗糙度，使得井巷中空气在流动时会产生内外摩擦力，导致了风速在巷道断面上的分布并非是均匀的。风速在巷壁周边处风速最小，从巷壁向巷道轴心方向，风速逐渐增大。通常在巷道轴心附近风速最大。在井下因井巷断面和支护形式的不同，最大风速往往不在巷道轴心上，风速分布也不对称。在测量巷道平均风速时，如果把风速计(风表)停留在巷道边壁附近，测量结果将较实际值偏小；风速计位于巷道轴心位置时又使测量结果偏大，因此测定巷道平均风速时，不能使风速计停在某一固定点，而应该在巷道横断面上按着一定路线均匀地测定，其数据才能真实地反映出巷道的平均风速。

而为了对巷道截面的风速进行在线精准测量，目前传统测试设备在巷道断面多点测试可行性较差。

发明内容

本发明旨在提供一种煤矿用激光测风雷达系统及测风方法，以解决传统测试设备在巷道断面多点测试可行性较差的问题。

本发明提供的一种煤矿用激光测风雷达系统，包括工控机、数据处理模块、激光收发模块和光学天线传感器模块；所述数据处理模块包括预处理组件、A/D数采模块和光电探测器；所述激光收发模块包括激光器、隔离器、环形器、衰减器和耦合器；所述光学天线传感器模块包括可变焦光学镜头、偏转棱镜、旋转机构和旋转角位移传感器；所述工控机的控制端一连接激光器，控制端二连接偏转棱镜，数据接收端一连接依次经预处理组件、A/D数采模块和光电探测器连接耦合器，数据接收端二连接旋转角位移传感器；所述激光器经隔离器一方面连接环形器，另一方面经衰减器连接耦合器；所述激光收发模块的耦合器和环形器经光缆与可变焦光学镜头连接；所述旋转角位移传感器用于检测偏转棱镜的旋转角度；所述偏转棱镜设置在可变焦光学镜头前端；所述旋转机构用于在工控机的控制下旋转偏转棱镜，使所述可变焦光学镜头的出射光束经偏转棱镜偏转后形成的聚焦点通过旋转形成一个圆形区域。

进一步的，所述偏转棱镜的偏转角度为10～30°。

进一步的，所述偏转棱镜为楔形棱镜。

进一步的，所述聚焦点与偏转棱镜的水平距离为1m～100m。

进一步的，所述煤矿用激光测风雷达系统，还包括供电系统，所述供电系统用于为工控机、数据处理模块、激光收发模块和光学天线传感器模块供电。

本发明还提供一种基于上述的煤矿用激光测风雷达系统的测风方法，所述测风方法包括如下步骤：

S1，工控机控制激光器产生激光信号，该激光信号经隔离器进行光信号隔离后分为一束本振光和一束出射光；所述本振光经衰减器衰减后输入耦合器；所述出射光经环形器和光缆输入可变焦光学镜头，再由可变焦光学镜头将接收的激光信号发出，并经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层的测量点；

S2，在测量点的激光信号与大气气溶胶发生米散射和多普勒效应后产生后向散射光，该后向散射光经原光路，即偏转棱镜、可变焦光学镜头、光缆和环形器后作为回波光输入到耦合器；在耦合器中将本振光和回波光进行混频后，使本振光和回波光产生相位差，并将具有相位差的本振光和回波光输出至光电探测器；

S3，光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号；A/D数采模块对光电流信号进行模数转换后得到数字信号；数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号，并将该中频信号输出至工控机；

S4，工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速；

S5，调节可变焦光学镜头的焦距，使可变焦光学镜头发出的激光信号经偏转棱镜偏转后聚焦到新断面层上的测量点，对新断面层上的测量点执行步骤S2～S4得到该新断面层上的测量点的径向风速；

S6，重复执行步骤S5得到不同断面层上对应测量点的径向风速；

S7，通过三角函数分解不同断面层上对应测量点的径向风速得到对应的水平风速信息和垂直风速信息，并通过水平风速信息和垂直风速信息计算不同断面层上对应测量点的风量信息，再通过不同断面层上对应测量点的风量信息得到不同断面层上的风量变量信息。

本发明还提供一种基于上述的煤矿用激光测风雷达系统的测风方法，所述测风方法包括如下步骤：

S1，工控机控制激光器产生激光信号，该激光信号经隔离器进行光信号隔离后分为一束本振光和一束出射光；所述本振光经衰减器衰减后输入耦合器；所述出射光经环形器和光缆输入可变焦光学镜头，再由可变焦光学镜头将接收的激光信号发出，并经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层的测量点；

S2，在测量点的激光信号与大气气溶胶发生米散射和多普勒效应后产生后向散射光，该后向散射光经原光路，即偏转棱镜、可变焦光学镜头、光缆和环形器后作为回波光输入到耦合器；在耦合器中将本振光和回波光进行混频后，使本振光和回波光产生相位差，并将具有相位差的本振光和回波光输出至光电探测器；

S3，光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号；A/D数采模块对光电流信号进行模数转换后得到数字信号；数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号，并将该中频信号输出至工控机；

S4，工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速；

S5，工控机控制旋转机构旋转偏转棱镜，使可变焦光学镜头发出的激光信号经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层上新的测量点，对新的测量点执行步骤S2～S4得到该新的测量点的径向风速；

S6，重复执行步骤S5得到断面层上多个测量点的径向风速，通过合成多个测量点的径向风速得到该断面层的三维风速信息；

S7，调节可变焦光学镜头的焦距，使可变焦光学镜头发出的激光信号经偏转棱镜偏转后聚焦到新断面层上，再在新断面层上重新执行步骤S1～S6，得到新断面层上的三维风速信息；

S8，重复执行步骤S7，得到不同断面层的三维风速信息。

进一步的，步骤S3中光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号的方法为：

(1)具有相位差的本振光和回波光的偏振方向相同、传播方向平行且重合，设光电探测器表面量子效应均匀，则本振光和回波光垂直入射到光电探测器上，本振光和回波光的电场分别为：

e_l(t)＝E_lcos[2πf_ot+Φ_l]

e_s(t)＝E_Scos(2π(f₀+Δf)t+Φ_s)

其中，e_l(t)表示本振光的电场，E_l表示本振光的场强，Φ_l为本振光的相位；e_s(t)表示回波光的电场，E_S表示回波光的场强，Φ_s为回波光的相位；f_o为激光器本振频率，Δf为测量点的大气气溶胶多普勒效应引起的多普勒频移；

(2)根据光电探测器的平方率响应特性输出光电流信号为：

其中，D为光电探测器的响应率；

(3)由于光电探测器响应带宽的限制，光电流的高频分量将得不到响应，因此实际输出的光电流信号为：

其中，I_S为回波光产生的直流信号，I_l为本振光产生的直流信号。

进一步的，步骤S3中数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号的方法为：滤除数字信号中由本振光产生的直流信号I_l和回波光产生的直流信号I_S转换而来的信号，并经过FFT和频谱采样得到包含多普勒频移信息的中频信号

进一步的，步骤S4工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速的方法为：

(1)从包含多普勒频移信息的中频信号

中提取出多普勒频移信息Δf；

(2)采用如下公式进行风速解算：

其中，v为该测量点的径向风速，λ为激光器发出激光信号的波长，θ为偏转棱镜的偏转角度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明实现的是激光多普勒风速测量，采用激光直接作用于气溶胶进行遥感测量，能够直接反映出测量点速度，可以实现矿井内巷道断面层多点测量，并且理论精度和实测结果远超过现有任何风速测量设备，可以广泛的在矿井内部进行风速、风量的测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1的煤矿用激光测风雷达系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1的可变焦光学镜头和偏转棱镜聚焦到测量点的示意图。

图3为本发明实施例2的测量方法的流程框图。

图4为本发明实施例2的不同断面层上相同方位的测量点分布示意图。

图5为本发明实施例3的测量方法的流程框图。

图6为本发明实施例3的同一断面层上测量点分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种煤矿用激光测风雷达系统，包括工控机、数据处理模块、激光收发模块和光学天线传感器模块；所述数据处理模块包括预处理组件、A/D数采模块和光电探测器；所述激光收发模块包括激光器、隔离器、环形器、衰减器和耦合器；所述光学天线传感器模块包括可变焦光学镜头、偏转棱镜、旋转机构和旋转角位移传感器；所述工控机的控制端一连接激光器，控制端二连接偏转棱镜，数据接收端一连接依次经预处理组件、A/D数采模块和光电探测器连接耦合器，数据接收端二连接旋转角位移传感器；所述激光器经隔离器一方面连接环形器，另一方面经衰减器连接耦合器；所述激光收发模块的耦合器和环形器经光缆与可变焦光学镜头连接；所述旋转角位移传感器用于检测偏转棱镜的旋转角度；所述偏转棱镜设置在可变焦光学镜头前端；所述旋转机构用于在工控机的控制下旋转偏转棱镜，使所述可变焦光学镜头的出射光束经偏转棱镜偏转后形成的聚焦点通过旋转形成一个圆形区域。

对于激光收发模块，所述激光器作为系统的激光光源，是整个系统中的核心关键部件，主要实现的功能是提供满足系统要求的高光功率、窄线宽的激光信号由于多普勒频移的量值与速度成正比关系，而激光信号的线宽决定着多普勒频移的分辨率进而决定着最小的速度分辨率，为了按照系统技术要求的速度精度为0.1m/s，速度分辨率达到0.1m/s量级，因此激光器发出的激光信号线宽要小于30KHz。其他精度要求可以按照实际应用进行调整。

对于可变焦光学镜头，如图2所示，本实施例的所述可变焦光学镜头设计为三片聚焦式透镜，根据一般试验要求设计所述聚焦点与偏转棱镜的水平距离为1m～100m。同时，所述偏转棱镜的偏转角度为10～30°，由此形成的圆形区域能够满足矿井内部进、回风巷道的测风，一般地，所述偏转棱镜为楔形棱镜，旋转机构可以采用旋转电机，将偏转棱镜与旋转电机的转轴固定连接能够实现偏转棱镜的旋转。

进一步，为了满足煤矿用激光测风雷达系统的用电，所述煤矿用激光测风雷达系统还包括供电系统，所述供电系统用于为工控机、数据处理模块、激光收发模块和光学天线传感器模块供电。还可以在供电系统上集成保护功能，用于防止外界断电对雷达可靠性的影响。一般地，所述供电系统采用多路DC18V供电，其每一路供电功率小于10W设计，便于矿井内部取电，以及减少输送电流。

再进一步，为了减小光信号在传输过程中的损失，整个煤矿用激光测风雷达系统中的传输光纤采用保偏光纤，所有光学器件也采用保偏型光学器件。

所述煤矿用激光测风雷达系统的工作原理为：

工控机控制激光机发出的激光信号首先经过隔离器进行光信号隔离，防止后续光路中的反射光损坏激光器。由于光信号检测主要基于两束相干光的拍频原理实现，因此将经过隔离器的激光信号分为一束本振光和一束出射光。

出射光通过环形器实现光信号传输方向的转换，然后通过光缆传输至可变焦光学镜头，由可变焦光学镜头将接收的激光信号发出，并经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层的测量点，而后经过在测量点的激光信号与大气气溶胶发生米散射和多普勒效应后产生后向散射光，该后向散射光经原光路，即偏转棱镜、可变焦光学镜头、光缆和环形器后作为回波光输入到耦合器。在该测量点处激光光斑直径最小，能量最为集中，在该测量点与大气气溶胶发生米散射相互作用的程度最高，当使用连续激光信号作为探测介质，使得可变焦光学镜头接收到的后向散射光始终以测量点(焦点)处为主，因此可变焦光学镜头所接受到的后向散射光主要体现了测量点(焦点)处的速度特性。

随后，本振光由于其能量过大，因此要通过衰减器对其能量进行衰减，衰减后的本振光与回波光在耦合器中进行混频，进而产生相干拍频。耦合器耦合后输出具有相位差的本振光和回波光，其中包含测量点的大气气溶胶多普勒效应引起的多普勒频移，而后经过数据处理模块传输至工控机，由工控机进行多普勒频移的提取和风速解算，即可得到测量点的径向风速。再通过旋转偏转棱镜和调节可变焦光学镜头的焦距对不同断面层上不同测量点的径向风速进行测量，通过分析不同断面层上相同方位对应测量点的径向风速可以得到风量变量信息，通过合成同一断面层上多个测量点的径向风速可以得到该断面层的三维风速信息，由此得到不同断面层上的三维风速信息。

实施例2

基于实施例1的煤矿用激光测风雷达系统，本实施例提供一种测风方法，如图3所示，所述测风方法包括如下步骤：

S1，工控机控制激光器产生激光信号，该激光信号经隔离器进行光信号隔离后分为一束本振光和一束出射光；所述本振光经衰减器衰减后输入耦合器；所述出射光经环形器和光缆输入可变焦光学镜头，再由可变焦光学镜头将接收的激光信号发出，并经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层的测量点；

S2，在测量点的激光信号与大气气溶胶发生米散射和多普勒效应后产生后向散射光，该后向散射光经原光路，即偏转棱镜、可变焦光学镜头、光缆和环形器后作为回波光输入到耦合器；在耦合器中将本振光和回波光进行混频后，使本振光和回波光产生相位差，并将具有相位差的本振光和回波光输出至光电探测器；

S3，光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号；A/D数采模块对光电流信号进行模数转换后得到数字信号；数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号，并将该中频信号输出至工控机；

该步骤S3中光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号的方法为：

(1)具有相位差的本振光和回波光的偏振方向相同、传播方向平行且重合，设光电探测器表面量子效应均匀，则本振光和回波光垂直入射到光电探测器上，本振光和回波光的电场分别为：

e_l(t)＝E_lcos[2πf_ot+Φ_l]

e_s(t)＝E_Scos(2π(f₀+Δf)t+Φ_s)

其中，e_l(t)表示本振光的电场，E_l表示本振光的场强，Φ_l为本振光的相位；e_s(t)表示回波光的电场，E_S表示回波光的场强，Φ_s为回波光的相位；f_o为激光器本振频率，Δf为测量点的大气气溶胶多普勒效应引起的多普勒频移；

(2)根据光电探测器的平方率响应特性输出光电流信号为：

其中，D为光电探测器的响应率；

(3)由于光电探测器响应带宽的限制，光电流的高频分量将得不到响应，因此实际输出的光电流信号为：

其中，I_S为回波光产生的直流信号，I_l为本振光产生的直流信号。

该步骤S3中数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号的方法为：滤除数字信号中由本振光产生的直流信号I_l和回波光产生的直流信号I_S转换而来的信号，并经过FFT和频谱采样得到包含多普勒频移信息的中频信号

S4，工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速；

该步骤S4工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速的方法为：

(1)从包含多普勒频移信息的中频信号

中提取出多普勒频移信息Δf；

(2)采用如下公式进行风速解算：

其中，v为该测量点的径向风速，λ为激光器发出激光信号的波长，θ为偏转棱镜的偏转角度。

S5，调节可变焦光学镜头的焦距，使可变焦光学镜头发出的激光信号经偏转棱镜偏转后聚焦到新断面层上的测量点，如图4所示，对新断面层上的测量点执行步骤S2～S4得到该新断面层上的测量点的径向风速；

S6，重复执行步骤S5得到不同断面层上对应测量点的径向风速；

S7，通过三角函数分解不同断面层上对应测量点的径向风速得到对应的水平风速信息和垂直风速信息，并通过水平风速信息和垂直风速信息计算不同断面层上对应测量点的风量信息，再通过不同断面层上对应测量点的风量信息得到不同断面层上的风量变量信息。径向风速分解方法以及风量计算方法为现有技术，在此不再详细赘述。

本实施例的测风方法测量速率快，时效性好，特别适用于矿井内巷道风速变化比较快的情况。

实施例3

基于实施例1的煤矿用激光测风雷达系统，本实施例提供一种测风方法，如图5所示，所述测风方法包括如下步骤：

S1，工控机控制激光器产生激光信号，该激光信号经隔离器进行光信号隔离后分为一束本振光和一束出射光；所述本振光经衰减器衰减后输入耦合器；所述出射光经环形器和光缆输入可变焦光学镜头，再由可变焦光学镜头将接收的激光信号发出，并经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层的测量点；

S2，在测量点的激光信号与大气气溶胶发生米散射和多普勒效应后产生后向散射光，该后向散射光经原光路，即偏转棱镜、可变焦光学镜头、光缆和环形器后作为回波光输入到耦合器；在耦合器中将本振光和回波光进行混频后，使本振光和回波光产生相位差，并将具有相位差的本振光和回波光输出至光电探测器；

S3，光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号；A/D数采模块对光电流信号进行模数转换后得到数字信号；数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号，并将该中频信号输出至工控机；

该步骤S3中光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号的方法为：

(1)具有相位差的本振光和回波光的偏振方向相同、传播方向平行且重合，设光电探测器表面量子效应均匀，则本振光和回波光垂直入射到光电探测器上，本振光和回波光的电场分别为：

e_l(t)＝E_lcos[2πf_ot+Φ_l]

e_s(t)＝E_Scos(2π(f₀+Δf)t+Φ_s)

其中，e_l(t)表示本振光的电场，E_l表示本振光的场强，Φ_l为本振光的相位；e_s(t)表示回波光的电场，E_S表示回波光的场强，Φ_s为回波光的相位；f_o为激光器本振频率，Δf为测量点的大气气溶胶多普勒效应引起的多普勒频移；

(2)根据光电探测器的平方率响应特性输出光电流信号为：

其中，D为光电探测器的响应率；

(3)由于光电探测器响应带宽的限制，光电流的高频分量将得不到响应，因此实际输出的光电流信号为：

其中，I_S为回波光产生的直流信号，I_l为本振光产生的直流信号。

该步骤S3中数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号的方法为：滤除数字信号中由本振光产生的直流信号I_l和回波光产生的直流信号I_S转换而来的信号，并经过FFT和频谱采样得到包含多普勒频移信息的中频信号

S4，工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速；

该步骤S4工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速的方法为：

(1)从包含多普勒频移信息的中频信号

中提取出多普勒频移信息Δf；

(2)采用如下公式进行风速解算：

其中，v为该测量点的径向风速，λ为激光器发出激光信号的波长，θ为偏转棱镜的偏转角度。

S5，工控机控制旋转机构旋转偏转棱镜，使可变焦光学镜头发出的激光信号经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层上新的测量点，对新的测量点执行步骤S2～S4得到该新的测量点的径向风速；

S6，重复执行步骤S5得到断面层上多个测量点的径向风速，通过合成多个测量点的径向风速得到该断面层的三维风速信息。通过前述可知，通过旋转偏转棱镜，聚焦点形成一个圆形区域，通过旋转角度位移传感器实时定位测试的角度位置，如图6所示，对于一个断面层可以选取分布在圆形区域的圆周上均匀分布的若干个测量点测量径向风速。对于这些测量点的径向风速，可以合成为该断面层的三维风速信息。合成方法为现有方法，如径向速度的矢量和，在此不再详细赘述；

S7，调节可变焦光学镜头的焦距，使可变焦光学镜头发出的激光信号经偏转棱镜偏转后聚焦到新断面层上，再在新断面层上重新执行步骤S1～S6，得到新断面层上的三维风速信息；

S8，重复执行步骤S7，得到不同断面层的三维风速信息。

本实施例的测风方法相对实施例2的测风方法的测量点更多，由此测量时间相对较长，时效性稍差，但本实施例的测风方法更适用于巷道内部不同方位风速变化的测量，由于与对风量的精准调整，利于巷道内部的空气流动，以及将堆积于角落的危险气体吹散。

以下还对本发明的煤矿用激光测风雷达系统及测量方法进行验证：

1、探测介质

本发明的探测对象是大气气溶胶。气溶胶是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，大气气溶胶由于其来源不同，导致其形态各异，尺度分布极广，其半径的尺度一般在1nm～100um之间。通过发射C波段红外激光信号照射大气气溶胶，发生的是米散射作用。米散射是粒子尺度接近或大于入射光波长时产生的一种弹性散射现象，其程度变化主要是由气溶胶粒子半径r和激光波长λ决定的，其相关函数为：

将C波段红外激光信号的波长1550nm～1560nm代入公式，计算可得探测对象是半径大于0.25um，即直径大于0.5um的气溶胶粒子，由此可见，本发明的煤矿用激光测风雷达系统及测量方法对于正常的大气环境都可以进行测量，具有广泛的适用性。

2、精度验证

(1)安装误差导致的风速测量误差

当偏转棱镜的偏转角度θ，也即是测量点入射光与断面层的夹角，当夹角θ不为0时，将增加角度误差项。由风速解算公式可知，该角度误差项为乘性误差，即当风速越大时，误差越大。当风速为最大值10m/s时，误差最大。实际环境下夹角θ的误差因子由可变焦光学镜头同轴度误差、光学窗口平行度误差、镜头光轴调节误差(即安装误差)等构成，其中安装误差比其它因子高一个数量级。在安装时，由于雷达系统外形和流场方向已知，光学天线传感器模块和测量点位置可以精确测定，因此，以安装误差定义的夹角θ误差可以认为是真实夹角θ和实际测得夹角θ₀之差，该误差由角度测量设备决定，而不是由安装调试过程中的装配误差决定。假设安装误差为1°、0.1°、1”时，计算可得到当风速为10m/s时，由安装误差造成的风速测量误差如表1所示。

表1：

可见，将煤矿用激光测风雷达系统安装在矿井内部，当夹角θ在30°范围内，只要要保证精度控制在1°的范围内，即可保证风速测量误差在0.1m/s，由此本发明的偏转棱镜的偏转角度选择为10～30°。

(2)风速测量精度

由风速解算公式得到雷达风速的输出函数为：

其中，λ为激光器发出激光信号的波长，θ为偏转棱镜的偏转角度，f_s为采样频率，

为多普勒频移与采样频率的比值，其比值是1/n(n：FFT点数)的整数倍。

利用经典误差理论进行误差函数的推导，推导方式为对输出函数求偏导，然后将系统误差带入公式。记输出函数为：

V＝f(λ,θ,f_s,a)

那么有

用有限增量代替无穷小量，将各个直接测量值的误差Δλ、Δθ、Δf_s、Δa带入到公式中，得到：

该误差方程的实质是认为λ、θ、f_s、a四个物理量相互独立，各项误差因子都是加性误差，在进行误差分析时可以不考虑它们互相之间的作用，因此，该误差方程试用于各个误差因子都很小的情况。根据实际使用元器件资料和试验测试结果，设定以下参数的标称误差：

激光器发出激光信号的波长λ＝1550nm±0.05nm；

预处理组件采样频率f_s＝160MHz±0.003MHz；

预处理组件FFT点数n＝1024，频谱分辨率a误差为±1.5。

上述参数的标称误差对应风速测量范围为0m/s～60m/s。当实测速度为10m/s时得到雷达系统最大风速测量误差为±0.01047m/s，满足精度要求。

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 (10)

1.一种煤矿用激光测风雷达系统，其特征在于，包括工控机、数据处理模块、激光收发模块和光学天线传感器模块；所述数据处理模块包括预处理组件、A/D数采模块和光电探测器；所述激光收发模块包括激光器、隔离器、环形器、衰减器和耦合器；所述光学天线传感器模块包括可变焦光学镜头、偏转棱镜、旋转机构和旋转角位移传感器；所述工控机的控制端一连接激光器，控制端二连接偏转棱镜，数据接收端一连接依次经预处理组件、A/D数采模块和光电探测器连接耦合器，数据接收端二连接旋转角位移传感器；所述激光器经隔离器一方面连接环形器，另一方面经衰减器连接耦合器；所述激光收发模块的耦合器和环形器经光缆与可变焦光学镜头连接；所述旋转角位移传感器用于检测偏转棱镜的旋转角度；所述偏转棱镜设置在可变焦光学镜头前端；所述旋转机构用于在工控机的控制下旋转偏转棱镜，使所述可变焦光学镜头的出射光束经偏转棱镜偏转后形成的聚焦点通过旋转形成一个圆形区域。

2.根据权利要求1所述的煤矿用激光测风雷达系统，其特征在于，所述偏转棱镜的偏转角度为10～30°。

3.根据权利要求2所述的煤矿用激光测风雷达系统，其特征在于，所述偏转棱镜为楔形棱镜。

4.根据权利要求1所述的煤矿用激光测风雷达系统，其特征在于，所述聚焦点与偏转棱镜的水平距离为1m～100m。

5.根据权利要求1所述的煤矿用激光测风雷达系统，其特征在于，还包括供电系统，所述供电系统用于为工控机、数据处理模块、激光收发模块和光学天线传感器模块供电。

6.一种基于所述权利要求1-5任一项所述的煤矿用激光测风雷达系统的测风方法，其特征在于，所述测风方法包括如下步骤：

S1，工控机控制激光器产生激光信号，该激光信号经隔离器进行光信号隔离后分为一束本振光和一束出射光；所述本振光经衰减器衰减后输入耦合器；所述出射光经环形器和光缆输入可变焦光学镜头，再由可变焦光学镜头将接收的激光信号发出，并经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层的测量点；

S2，在测量点的激光信号与大气气溶胶发生米散射和多普勒效应后产生后向散射光，该后向散射光经原光路，即偏转棱镜、可变焦光学镜头、光缆和环形器后作为回波光输入到耦合器；在耦合器中将本振光和回波光进行混频后，使本振光和回波光产生相位差，并将具有相位差的本振光和回波光输出至光电探测器；

S3，光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号；A/D数采模块对光电流信号进行模数转换后得到数字信号；数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号，并将该中频信号输出至工控机；

S4，工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速；

S5，调节可变焦光学镜头的焦距，使可变焦光学镜头发出的激光信号经偏转棱镜偏转后聚焦到新断面层上的测量点，对新断面层上的测量点执行步骤S2～S4得到该新断面层上的测量点的径向风速；

S6，重复执行步骤S5得到不同断面层上对应测量点的径向风速；

S7，通过三角函数分解不同断面层上对应测量点的径向风速得到对应的水平风速信息和垂直风速信息，并通过水平风速信息和垂直风速信息计算不同断面层上对应测量点的风量信息，再通过不同断面层上对应测量点的风量信息得到不同断面层上的风量变量信息。

7.一种基于所述权利要求1-5任一项所述的煤矿用激光测风雷达系统的测风方法，其特征在于，所述测风方法包括如下步骤：

S1，工控机控制激光器产生激光信号，该激光信号经隔离器进行光信号隔离后分为一束本振光和一束出射光；所述本振光经衰减器衰减后输入耦合器；所述出射光经环形器和光缆输入可变焦光学镜头，再由可变焦光学镜头将接收的激光信号发出，并经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层的测量点；

S2，在测量点的激光信号与大气气溶胶发生米散射和多普勒效应后产生后向散射光，该后向散射光经原光路，即偏转棱镜、可变焦光学镜头、光缆和环形器后作为回波光输入到耦合器；在耦合器中将本振光和回波光进行混频后，使本振光和回波光产生相位差，并将具有相位差的本振光和回波光输出至光电探测器；

S3，光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号；A/D数采模块对光电流信号进行模数转换后得到数字信号；数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号，并将该中频信号输出至工控机；

S4，工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速；

S5，工控机控制旋转机构旋转偏转棱镜，使可变焦光学镜头发出的激光信号经偏转棱镜偏转后聚焦到断面层上新的测量点，对新的测量点执行步骤S2～S4得到该新的测量点的径向风速；

S6，重复执行步骤S5得到断面层上多个测量点的径向风速，通过合成多个测量点的径向风速得到该断面层的三维风速信息；

S7，调节可变焦光学镜头的焦距，使可变焦光学镜头发出的激光信号经偏转棱镜偏转后聚焦到新断面层上，再在新断面层上重新执行步骤S1～S6，得到新断面层上的三维风速信息；

S8，重复执行步骤S7，得到不同断面层的三维风速信息。

8.根据权利要求6或7所述的煤矿用激光测风雷达系统，其特征在于，步骤S3中光电探测器将具有相位差的本振光和回波光转换为光电流信号的方法为：

(1)具有相位差的本振光和回波光的偏振方向相同、传播方向平行且重合，设光电探测器表面量子效应均匀，则本振光和回波光垂直入射到光电探测器上，本振光和回波光的电场分别为：

e_l(t)＝E_lcos[2πf_ot+Φ_l]

e_s(t)＝E_Scos(2π(f₀+Δf)t+Φ_s)

其中，e_l(t)表示本振光的电场，E_l表示本振光的场强，Φ_l为本振光的相位；e_s(t)表示回波光的电场，E_S表示回波光的场强，Φ_s为回波光的相位；f_o为激光器本振频率，Δf为测量点的大气气溶胶多普勒效应引起的多普勒频移；

(2)根据光电探测器的平方率响应特性输出光电流信号为：

其中，D为光电探测器的响应率；

(3)由于光电探测器响应带宽的限制，光电流的高频分量将得不到响应，因此实际输出的光电流信号为：

其中，I_S为回波光产生的直流信号，I_l为本振光产生的直流信号。

9.根据权利要求8所述的煤矿用激光测风雷达系统，其特征在于，步骤S3中数字信号经过预处理组件处理得到包含多普勒频移信息的中频信号的方法为：滤除数字信号中由本振光产生的直流信号I_l和回波光产生的直流信号I_S转换而来的信号，并经过FFT和频谱采样得到包含多普勒频移信息的中频信号

10.根据权利要求9所述的煤矿用激光测风雷达系统，其特征在于，步骤S4工控机从中频信号中提取出多普勒频移信息，并根据多普勒频移信息进行风速解算得到该测量点的径向风速的方法为：

(1)从包含多普勒频移信息的中频信号

中提取出多普勒频移信息Δf；

(2)采用如下公式进行风速解算：

其中，v为该测量点的径向风速，λ为激光器发出激光信号的波长，θ为偏转棱镜的偏转角度。

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