CN115199483A - 一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，该方法包括以下步骤：S1、获取激光净空雷达的数据流；S2、判断激光净空雷达的硬件是否正常；S3、判断激光净空雷达的测距是否正常；S4、对测距值进行预测实现地面无效值更新；S5、判断激光净空雷达是否处于健康状态。本发明提高了激光净空雷达对水面环境的适应性，弥补了激光净空雷达遇水面环境出现大量无效值、不可用时长增加的不足，在不影响叶片测距值输出的同时，保证了正常运行的激光净空雷达可以稳定地输出地面测距值，提高了水面环境下激光净空雷达地面测距值的有效率，使风机主控摆脱了对激光净空雷达地面测距值的依赖。
Description
技术领域
本发明涉及风机发电机净空距离监测雷达的技术领域，具体来说，涉及一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法。
背景技术
激光净空雷达是一种实时监测叶尖净空距离的激光雷达，当监测到叶片净空值小于规定的最小净空值的时候，风机主控对风机采取保护性措施，如减速、收桨等。随着激光净空雷达在风机上的广泛应用，激光净空雷达测距视野范围内的环境越来越复杂，由于受到水面反射、水面折射的影响，当净空雷达遇到地面积水、鱼塘、海面等水面环境等都会出现不同程度的回光强度降低，其测距值会出现大量的无效值，降低了地面测距值的有效率，而风机主控主要通过一定时间内净空雷达的地面测距值的有效率来对净空雷达的健康状态进行监测，从而决定是否采用保护性措施，这就导致净空雷达不可用时长增加进而导致风机发电量的损失。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取激光净空雷达的数据流；
S2、判断激光净空雷达的硬件是否正常；
S3、判断激光净空雷达的测距是否正常；
S4、对测距值进行预测实现地面无效值更新；
S5、判断激光净空雷达是否处于健康状态。
进一步的，所述数据流包括硬件数据流与软件数据流。
进一步的，所述判断激光净空雷达的硬件是否正常，包括以下步骤：
S21、根据激光器的温度、电流逻辑值，确定激光器工作是否正常；
S22、根据主控板的温度、与激光器通信连接情况的逻辑值，确定主控板工作是否正常。
进一步的，所述判断激光净空雷达的测距是否正常，包括以下步骤：
S31、自适应调节端面信号强度阈值，判断当前激光净空雷达是否出光正常；
S32、对当前时刻地面数据的有效率进行阈值检测，判断当前时刻激光净空雷达的地面测距是否正常；
S33、根据端面信号强度与当前时间范围内地面数据的有效率的情况，判断激光净空雷达的软件流数据是否正常。
进一步的，所述自适应调节端面信号强度阈值，判断当前激光净空雷达是否出光正常，包括以下步骤：
S311、调节激光器的输出功率，获取不同功率下的端面信号强度；
S312、建立激光器输出功率与端面信号强度阈值对应关系的查找表，作为先验数据库；
S313、根据激光净空雷达正常运行期间激光器的输出功率，自动从先验数据库中查找端面信号强度阈值，依据激光净空雷达端面信号强度是否超过阈值判断激光净空雷达出光是否正常。
进一步的，所述对当前时刻地面数据的有效率进行阈值检测，判断当前时刻激光净空雷达的地面测距是否正常，包括以下步骤：
S321、选取一定的统计时间范围；
S322、计算当前时间范围内激光净空雷达输出的测距值在塔筒高度范围内的比例，作为地面数据的有效率；
S323、设置地面数据有效率阈值，将当前地面数据的有效率与地面数据有效率阈值进行对比，判断当前时刻的地面测距是否正常。
进一步的，所述对测距值进行预测实现地面无效值更新，包括以下步骤：
S41、根据当前时刻激光净空雷达输出的测距值，对下一时刻的地面测距值进行不等值预测；
S42、基于地面预测值对下个时刻的无效值进行插补，实现地面无效值更新。
进一步的，所述根据当前时刻激光净空雷达输出的测距值，对下一时刻的地面测距值进行不等值预测，包括以下步骤：
S411、若激光净空雷达硬件数据流与软件数据流均正常，则对下一时刻的地面测距值进行数据的不等值预测；
S412、若激光净空雷达硬件数据流与软件数据流存在异常，则保留原始地面测距值。
进一步的，所述基于地面预测值对下个时刻的无效值进行插补，实现地面无效值更新，包括以下步骤：
S421、若当前时间范围内硬件数据流与软件数据流正常，则基于地面预测值对下一时刻的无效测距值进行插补；
S422、若硬件数据流与软件数据流存在异常，则保留激光净空雷达的原始测距值，实现激光净空雷达无效测距值的更新。
进一步的，所述判断激光净空雷达是否处于健康状态，包括以下步骤：
S51、根据更新后的激光净空雷达测距值，计算一定时间内地面测距值的有效率；
S52、设定有效率阈值并与当前时间内地面测距值的有效率对比，确定激光净空雷达是否处于健康的状态。
本发明的有益效果为：
1、本发明提高了激光净空雷达对水面环境的适应性，设计一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，弥补了激光净空雷达遇水面环境出现大量无效值、不可用时长增加的不足，在不影响叶片测距值输出的同时，保证了正常运行的激光净空雷达可以稳定地输出地面测距值，提高了水面环境下激光净空雷达地面测距值的有效率，使风机主控摆脱了对激光净空雷达地面测距值的依赖，与现有的风机预警控制机制相适应。
2、本发明提升了激光净空雷达在水面环境下地面检测的鲁棒性，不管是陆地上的水塘还是成片的海域环境，利用海量数据、高时间分辨率的优势，可以实现秒级地面测距值的更新，保证了风机主控对净空雷达健康状态监测的实时性。
3、本发明增强了激光净空雷达在水面环境下地面检测的可扩展性，不管是单线束的激光雷达还是多线束的激光雷达，通过本发明的健康状态监测方法，都可以实现对其健康状态的有效监测，为风机主控进行风机的预警保护提供稳定可靠的数据源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是根据本发明实施例的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法的逻辑流程图；
图3是根据本发明实施例的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法中数据流传输路径示意图；
图4是根据本发明实施例的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法中激光净空雷达的信号强度及测距值分布示意图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，提供了一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-4所示，根据本发明实施例的基于激光净空雷达的健康状态监测方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取激光净空雷达的数据流；
其中，所述数据流包括硬件数据流与软件数据流。硬件数据流以0或者1的逻辑值呈现，0表示数据流异常，1表示数据流正常，软件数据流以净空雷达输出的测距值、信号强度等具体数值呈现，如图3所示，硬件数据流和软件数据流都经过既有处理器如现成可编程门阵列(FPGA)处理后，通过数据总线与风机主控进行数据交互。
S2、判断激光净空雷达的硬件是否正常，包括以下步骤：
S21、根据激光器的温度、电流逻辑值，确定激光器工作是否正常；
如果激光器的温度超过激光器的最大工作温度，则激光器温度输出为逻辑值0，否则，激光器温度输出为逻辑值1；如果激光器的电流超过激光器的最大工作电流，则激光器电流输出为逻辑值0，否则，激光器电流输出为逻辑值1；如果激光器的温度、激光器的电流都为1，则激光器工作正常，输出为1，否则，激光器工作异常，输出为0。
S22、根据主控板的温度、与激光器通信连接情况的逻辑值，确定主控板工作是否正常。
如果主控板的温度超过主控板的最大工作温度，则主控板温度输出为逻辑值0，否则，主控板温度输出为逻辑值1；如果通信心跳包丢失，则与激光器的通信连接情况输出为逻辑值0，否则，与激光器的通信连接情况输出为逻辑值1；如果主控板的温度、与激光器的通信连接情况都为1，则主控板工作正常，输出为1，否则，主控板工作异常，输出为0。
综上，如果激光器工作正常和主控板工作正常，则净空雷达的硬件数据流正常，输出为1；否则，净空雷达的硬件数据流异常，输出为0。
S3、判断激光净空雷达的测距是否正常，包括以下步骤：
S31、自适应调节端面信号强度阈值，判断当前激光净空雷达是否出光正常，包括以下步骤：
S311、调节激光器的输出功率，获取不同功率下的端面信号强度；
S312、建立激光器输出功率与端面信号强度阈值对应关系的查找表，作为先验数据库；
S313、根据激光净空雷达正常运行期间激光器的输出功率，自动从先验数据库中查找端面信号强度阈值，依据激光净空雷达端面信号强度是否超过阈值判断激光净空雷达出光是否正常，即如果超过阈值，则激光净空雷达出光正常，输出为1，否则，激光净空雷达出光异常，输出为0。
激光净空雷达可以获取不同距离处目标的信号强度，其输出的信号如图4所示，端面信号是指距离为0m的信号，地面信号是指净空雷达测到的塔筒高度±10m范围内对应的信号，图中显示是100m处的信号。
S32、对当前时刻地面数据的有效率进行阈值检测，判断当前时刻激光净空雷达的地面测距是否正常，包括以下步骤：
S321、选取一定的统计时间范围，其取值可以为1秒、2秒、3秒、4秒、1分钟、10分钟、20分钟等；
S322、计算当前时间范围内激光净空雷达输出的测距值在塔筒高度范围内的比例，作为地面数据的有效率；
S323、设置地面数据有效率阈值，将当前地面数据的有效率与地面数据有效率阈值进行对比，判断当前时刻的地面测距是否正常。
例如设置地面数据有效率的阈值为2％，如果当前时刻地面数据的有效率超过阈值，则说明当前时刻地面测距正常，输出为1，否则，当前时刻的地面测距异常，输出为0。
S33、根据端面信号强度与当前时间范围内地面数据的有效率的情况，判断激光净空雷达的软件流数据是否正常。
其中，如果端面信号强度大于自适应阈值并且当前时间范围t内地面数据的有效率大于阈值，则净空雷达的软件数据流正常，输出为1；否则，净空雷达的软件数据流异常，输出为0。
S4、对测距值进行预测实现地面无效值更新，包括以下步骤：
S41、根据当前时刻激光净空雷达输出的测距值，对下一时刻的地面测距值进行不等值预测，包括以下步骤：
S411、若激光净空雷达硬件数据流与软件数据流均正常，则对下一时刻的地面测距值进行数据的不等值预测；
如果净空雷达硬件数据流和软件数据流都正常，对下一时间范围t内任意一个时刻i的地面测距值进行数据的不等值预测，不等值预测是指利用状态转移的思想，未来任意一个时刻i的测距值Disit都可以表示成：Disti＝(1-α)Disti-2+αDisti-1，其中α的值可取0.6，Disti-2表示i-2时刻的地面测距值，Disti-1表示i-1时刻的地面测距值，利用上两个时刻的地面测距值就可以预测出下一时间范围t内任意一个时刻i的地面预测值Disti，否则，对下一时间范围t内任意一个时刻i的原始地面测距值保留。
S412、若激光净空雷达硬件数据流与软件数据流存在异常，则保留原始地面测距值。
S42、基于地面预测值对下个时刻的无效值进行插补，实现地面无效值更新，包括以下步骤：
S421、若当前时间范围内硬件数据流与软件数据流正常，则基于地面预测值对下一时刻的无效测距值进行插补；
S422、若硬件数据流与软件数据流存在异常，则保留激光净空雷达的原始测距值，实现激光净空雷达无效测距值的更新。
此外，对于多个线束的激光净空雷达，如果当前时间范围t内任意一个光束的硬件、软件数据流正常，就对下一时间范围t内所有线束的任意一个时刻i的地面预测值代替无效测距值，否则，保留净空雷达的原始测距值；
对于单线束的激光净空雷达，如果当前硬件、软件数据流正常，就对下一时间范围t内任意一个时刻i的地面预测值代替无效测距值，否则，保留净空雷达的原始测距值，从而实现净空雷达无效测距值的更新。
S5、判断激光净空雷达是否处于健康状态，包括以下步骤：
S51、根据更新后的激光净空雷达测距值，计算一定时间内地面测距值的有效率；
根据预测插补后的激光净空雷达测距值，按照每秒的统计时间间隔，统计每秒内测距值在塔筒高度正负10m范围内的比例，作为秒级时间粒度下地面测距值的有效率
S52、设定有效率阈值并与当前时间内地面测距值的有效率对比，确定激光净空雷达是否处于健康的状态。
例如以地面测距值的有效率为基础，有效率的阈值设置为20％，如果秒级时间粒度下地面测距值的有效率大于20％，则净空雷达处于健康的状态，可以用于风机预警保护；否则，净空雷达处于不健康的状态，不可以用于风机预警保护。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明提高了激光净空雷达对水面环境的适应性，设计一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，弥补了激光净空雷达遇水面环境出现大量无效值、不可用时长增加的不足，在不影响叶片测距值输出的同时，保证了正常运行的激光净空雷达可以稳定地输出地面测距值，提高了水面环境下激光净空雷达地面测距值的有效率，使风机主控摆脱了对激光净空雷达地面测距值的依赖，与现有的风机预警控制机制相适应。
本发明提升了激光净空雷达在水面环境下地面检测的鲁棒性，不管是陆地上的水塘还是成片的海域环境，利用海量数据、高时间分辨率的优势，可以实现秒级地面测距值的更新，保证了风机主控对净空雷达健康状态监测的实时性。
本发明增强了激光净空雷达在水面环境下地面检测的可扩展性，不管是单线束的激光雷达还是多线束的激光雷达，通过本发明的健康状态监测方法，都可以实现对其健康状态的有效监测，为风机主控进行风机的预警保护提供稳定可靠的数据源。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)
1.一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、获取激光净空雷达的数据流；
S2、判断激光净空雷达的硬件是否正常；
S3、判断激光净空雷达的测距是否正常；
S4、对测距值进行预测实现地面无效值更新；
S5、判断激光净空雷达是否处于健康状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，所述数据流包括硬件数据流与软件数据流。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，所述判断激光净空雷达的硬件是否正常，包括以下步骤：
S21、根据激光器的温度、电流逻辑值，确定激光器工作是否正常；
S22、根据主控板的温度、与激光器通信连接情况的逻辑值，确定主控板工作是否正常。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，所述判断激光净空雷达的测距是否正常，包括以下步骤：
S31、自适应调节端面信号强度阈值，判断当前激光净空雷达是否出光正常；
S32、对当前时刻地面数据的有效率进行阈值检测，判断当前时刻激光净空雷达的地面测距是否正常；
S33、根据端面信号强度与当前时间范围内地面数据的有效率的情况，判断激光净空雷达的软件流数据是否正常。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，所述自适应调节端面信号强度阈值，判断当前激光净空雷达是否出光正常，包括以下步骤：
S311、调节激光器的输出功率，获取不同功率下的端面信号强度；
S312、建立激光器输出功率与端面信号强度阈值对应关系的查找表，作为先验数据库；
S313、根据激光净空雷达正常运行期间激光器的输出功率，自动从先验数据库中查找端面信号强度阈值，依据激光净空雷达端面信号强度是否超过阈值判断激光净空雷达出光是否正常。
6.根据权利要求4所述的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，所述对当前时刻地面数据的有效率进行阈值检测，判断当前时刻激光净空雷达的地面测距是否正常，包括以下步骤：
S321、选取一定的统计时间范围；
S322、计算当前时间范围内激光净空雷达输出的测距值在塔筒高度范围内的比例，作为地面数据的有效率；
S323、设置地面数据有效率阈值，将当前地面数据的有效率与地面数据有效率阈值进行对比，判断当前时刻的地面测距是否正常。
7.根据权利要求2所述的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，所述对测距值进行预测实现地面无效值更新，包括以下步骤：
S41、根据当前时刻激光净空雷达输出的测距值，对下一时刻的地面测距值进行不等值预测；
S42、基于地面预测值对下个时刻的无效值进行插补，实现地面无效值更新。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，所述根据当前时刻激光净空雷达输出的测距值，对下一时刻的地面测距值进行不等值预测，包括以下步骤：
S411、若激光净空雷达硬件数据流与软件数据流均正常，则对下一时刻的地面测距值进行数据的不等值预测；
S412、若激光净空雷达硬件数据流与软件数据流存在异常，则保留原始地面测距值。
9.根据权利要求7所述的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，所述基于地面预测值对下个时刻的无效值进行插补，实现地面无效值更新，包括以下步骤：
S421、若当前时间范围内硬件数据流与软件数据流正常，则基于地面预测值对下一时刻的无效测距值进行插补；
S422、若硬件数据流与软件数据流存在异常，则保留激光净空雷达的原始测距值，实现激光净空雷达无效测距值的更新。
10.根据权利要求1所述的一种基于激光净空雷达的健康状态监测方法，其特征在于，所述判断激光净空雷达是否处于健康状态，包括以下步骤：
S51、根据更新后的激光净空雷达测距值，计算一定时间内地面测距值的有效率；
S52、设定有效率阈值并与当前时间内地面测距值的有效率对比，确定激光净空雷达是否处于健康的状态。
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