CN116009008A - 基于雷达的叶片虚警抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于雷达的叶片虚警抑制方法，首先获取系统参数及净空雷达沿着三个光束方向的测距值，然后叶片变形量仿真，导入上述系统参数，分别仿真出净空雷达沿着三个光束方向的最小测距值，再剔除近距离干扰并进行多光束测距关联，最后进行叶片周期判读，根据风机叶片运转的周期性，三个不同的叶片间隔时间为T，记录最近两次不同叶片触发的时间，计算时间差T0，每小时计算T0均值作为叶片周期T的更新值。本发明降低了云、雨、雪、雾等干扰目标对叶片测距值的影响，提高了净空雷达在复杂天气下获取叶片测距值的有效性和可靠性，为以激光净空雷达为主的风机主控净空预警系统提供了持之有效的数据源。

Description

基于雷达的叶片虚警抑制方法

技术领域

本发明涉及风机叶片监测领域，具体是一种基于雷达的叶片虚警抑制方法。

背景技术

净空雷达为一种实时监测叶片测距值的激光测距雷达，风机主控根据雷达输出的叶片测距值转化为叶片净空值，当监测到叶片净空值接近规定的最小净空值时，风机机组主控可立即采取保护性措施，如减速、收桨等。随着净空雷达在风机机组的广泛应用，净空雷达测距视野范围内的环境越来越复杂，尤其遇到云、雨、雪、雾等复杂天气，净空雷达获取的叶片测距值中出现大量的叶片虚警，一方面导致复杂天气下净空雷达不可用时长增加，另一方面给风机的净空预警系统带来一定的挑战。针对这一问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于雷达的叶片虚警抑制方法，降低了云、雨、雪、雾等干扰目标对叶片测距值的影响，提高了净空雷达在复杂天气下获取叶片测距值的有效性和可靠性，为以激光净空雷达为主的风机主控净空预警系统提供了持之有效的数据源。

本发明提供了一种基于雷达的叶片虚警抑制方法，包括以下步骤：

1）获取系统参数及净空雷达沿着三个光束方向的测距值；

2）叶片变形量仿真，导入上述系统参数，分别仿真出净空雷达沿着三个光束方向的最小测距值；

3）剔除近距离干扰；

4）多光束测距关联，确定三个光束的约束条件，将不满足约束条件的叶片测距值置为无效测距值；

5）叶片周期判读，根据风机叶片运转的周期性，三个不同的叶片间隔时间为T，记录最近两次不同叶片触发的时间，计算时间差T0，如果时间差T0满足等于T,则保存并输出此时的叶片测距值；如果时间差T0满足大于3/4T且小于2T，保存并输出此时的叶片测距值，同时将T0保存，每小时计算T0均值作为叶片周期T的更新值。

步骤1）所述系统参数包括风场的风速与风向、风机叶片形状参数、机舱的仰角、叶片锥角、主轴长度、桨距角、塔筒的高度与半径、净空雷达的安装位置坐标、净空雷达的三个光束的安装角度和叶片根部的位置坐标。

步骤2）所述叶片变形量仿真过程利用风力机设计仿真建模计算软件Bladed实现，得到叶片叶尖刚刚触发塔筒壁的时候其叶片长度的变形量；根据叶片长度的变形量，结合三线激光雷达的安装位置坐标及光束夹角、风机叶片叶根位置坐标、叶片长度，利用Bladed软件计算出叶片刚刚触发塔筒壁时对应的净空雷达沿着三个光束方向的最小测距值。

步骤3）所述剔除近距离干扰过程应用最小测距值阈值法，剔除小于最小测距值的近距离干扰，保留大于或者等于最小测距值的叶片测距值。

步骤4）所述约束条件如下：对于三个光束的测距值都有效的情况，当叶片触发第一光束的时候，叶片必然触发第二光束和第三光束，将不满足这一约束条件的三个光束的叶片测距值置为无效测距值；对于只有第二光束、第三光束的测距值都有效的情况，当叶片触发第二光束的时候，叶片必然触发第三光束，将不满足这一约束条件的叶片测距值置为无效测距值。

步骤5）所述叶片周期判读过程具体为：当风机正常满发运转的时候，三个不同的叶片间隔时间为T，T为1-5s，同一个叶片连续被激光净空雷达捕捉到的次数为1-10次，获取经过多光束关联后三个光束的叶片测距值和对应的叶片测距值标识符，首先找到测距值标识符为1的时刻，记录当前时刻的时间为T1，保存并输出此刻的叶片测距值和对应的叶片测距值标识；对于下一时刻T2的叶片测距值，如果T2与T1的时间差T0=T2-T1=10T即连续出现，则表示T2时刻是与T1时刻是同一个叶片的测距值并将之保存并输出，同时将T1=T2；对于不同叶片的测距值，初始化叶片周期为T=1-5s，如果不满足时间差间隔10T但是时间差T0满足大于3/4T且小于2T，则表示T2时刻是与T1时刻是不同叶片的测距值并将此时的叶片测距值保存输出，同时将T0保存。

步骤5）中所述叶片周期T的更新，根据实际运转情况自适应调整不同叶片周期T，选择每小时更新一次T，将 T0均值作为叶片周期T的更新值，对于下一时刻的三个光束的叶片测距值分别按照步骤1）进行顺序判读，从而实现叶片测距值的实时准确输出。

本发明还提供了一种用于执行基于雷达的叶片虚警抑制方法的雷达结构，至少包括处理器和存储器，所述存储器存储计算机执行指令，所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，包括数据输入、数据处理、数据输出模块，执行上述基于雷达的叶片虚警抑制方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被运行时，实现上述的基于雷达的叶片虚警抑制方法。

本发明有益效果在于：

1）本发明从净空雷达所测到的叶片测距值出发，考虑了不同风机叶片在不同风况下叶片变形量的不同，推算出当前风机叶尖刚刚触发塔筒壁的工况下对应的三个光束的最小测距值，基于最小测距值法剔除了近距离目标对叶片测距信号的干扰。

2）本发明从风机叶片运行的空间尺度出发，基于多光束关联的思想，利用沿着三个光束方向的测距关联性，当叶片触发第一光束的时候必然第二光束与第三光束同时触发，当叶片触发第二光束的时候必然第三光束触发，降低了云、雨、雪、雾等干扰目标对叶片测距值的影响，提高了净空雷达在复杂天气下获取叶片测距值的有效性。

3）本发明从风机叶片运行的时间尺度出发，以风机叶片的运转周期为前提，利用净空雷达获取的上个周期内不同叶片信号的时间，动态调整不同叶片周期的判读阈值，降低了叶片信号的虚警率，提高了净空雷达在获取叶片测距值方面的可靠性，为以激光净空雷达为主的风机主控净空预警系统提供了持之有效的数据源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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它的附图。

图1为本发明技术流程图；

图2为净空雷达原始测距值分布示意图；

图3为净空雷达叶片虚警抑制后的测距值分布。

实施方式

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的技术流程如图1所示，包括以下5个步骤：

1、一方面获取当前风况、风机、塔筒、净空雷达等系统安装参数，具体包括当前风场的风速与风向、风机叶片长度及风机叶片叶根位置坐标、机舱的仰角、叶片锥角、主轴长度、桨距角、塔筒高度和半径、净空雷达的安装位置坐标及光束夹角；另一方面获取净空雷达获取的沿着三个光束方向的测距值；

2、运用风力机设计仿真建模计算软件Bladed，导入上述系统安装参数，确定当前风机叶片叶尖刚刚触发塔筒壁的时候叶片的变形量，结合三线激光雷达的安装位置坐标及光束夹角、风机叶片叶根位置坐标、叶片长度，分别仿真出净空雷达沿着三个光束方向的最小测距值；

3、根据获取的三个光束的测距值，应用最小测距值阈值法，剔除小于最小测距值的近距离干扰，保留大于或者等于最小测距值的叶片测距值；

4、根据三个光束测距值的关联性，对于三个光束的测距值都有效的情况，当叶片触发第一光束的时候，叶片必然触发第二光束和第三光束，将不满足这一约束条件的三个光束的叶片测距值置为无效测距值；对于只有第二光束、第三光束的测距值都有效的情况，当叶片触发第二光束的时候，叶片必然触发第三光束，将不满足这一约束条件的叶片测距值置为无效测距值；

5、根据风机叶片运转的周期性，当风机正常满发运转的时候，三个不同的叶片间隔时间在T=2s左右，同一个叶片连续被激光净空雷达捕捉到的次数最多为3次，记录最近两次不同叶片触发的时间，计算时间差T0，如果时间差T0满足等于20ms,则保存并输出此时的叶片测距值；如果时间差T0满足大于3/4T且小于2T，保存并输出此时的叶片测距值，同时将T0保存，每小时计算 T0均值作为叶片周期T的更新值。

本发明一种具体实施方式如下：

步骤1、获取系统参数及三个光束的测距值

1）获取系统参数，包括风场的风速与风向、风机叶片形状参数、机舱的仰角、叶片锥角、主轴长度、桨距角、塔筒的高度与半径、净空雷达的安装位置坐标、净空雷达的三个光束的安装角度和叶片根部的位置坐标等；

2）获取净空雷达输出的频率为50Hz的三个光束的测距值，如图2所示展现了其中一个光束的测距值分布，从图2中可以看出，叶片测距值分布范围是1000cm——7600cm，地面的测距值范围为8000——9000cm，叶片的测距值分布范围较广，存在许多1000——5000cm的近距离干扰目标。

步骤2、叶片变形量仿真

1）运用风力机设计仿真建模计算软件Bladed，输入步骤1中的系统参数，得到叶片叶尖刚刚触发塔筒壁的时候其叶片长度的变形量；

2）根据叶片长度的变形量，结合三线激光雷达的安装位置坐标及光束夹角、风机叶片叶根位置坐标、叶片长度，利用Bladed软件会计算出叶片刚刚触发塔筒壁时对应的净空雷达沿着三个光束方向的最小测距值D1、D2、D3。

步骤3、剔除近距离干扰

以净空雷达输出的频率为50Hz的测距值为基础，分别利用最小测距值阈值法，分别筛选三个光束的测距值大于最小测距值（D1、D2、D3）同时满足小于叶片长度的测距值，输出此时的测距值标识符为1，1表示此时净空雷达输出的测距值为叶片测距值；否则，输出此时的测距值标识符为0，0表示此时净空雷达输出的测距值为非叶片测距值。通过最小测距值阈值法，达到剔除近距离干扰目标的目的。

步骤4、多光束测距关联

（1）筛选出剔除近距离干扰目标后三个光束的叶片测距值和对应的测距值标识符，基于多光束关联的思想，首先判断当第一光束的测距值标识符为1的时候，查看同时刻第二光束和第三光束的测距值标识符是否为1，如果第二光束和第三光束的测距值标识符都为1，则保存三个光束此时的测距值和对应的测距值标识符1；否则，将三个光束此时的测距值置为无效值65535，同时将测距值标识符置为0;

（2）筛选出第二光束和第三光束的叶片测距值和对应的测距值标识符，基于多光束关联的思想，首先判断当第二光束的测距值标识符为1的时候，查看同时刻第三光束的测距值标识符是否为1，如果第三光束的测距值标识符为1，则保存两个光束此时的测距值和对应的测距值标识符1；否则，将第二光束和第三光束此时的测距值置为无效值65535，同时将测距值标识符置为0。

步骤5、叶片周期判读

（1）根据风机叶片运转的周期性，当风机正常满发运转的时候，三个不同的叶片间隔时间在T=2s左右，同一个叶片连续被激光净空雷达捕捉到的次数最多为3次，获取经过多光束关联后三个光束的叶片测距值和对应的叶片测距值标识符，以其中一个光束为例，首先找到测距值标识符为1的时刻，记录当前时刻的时间为T1，保存并输出此刻的叶片测距值和对应的叶片测距值标识；对于下一时刻T2的叶片测距值，如果T2与T1的时间差T0=T2-T1=20ms即连续出现，则表示T2时刻是与T1时刻是同一个叶片的测距值并将之保存并输出，同时将T1=T2；对于不同叶片的测距值，初始化叶片周期为T=2s，如果不满足时间差间隔20ms但是时间差T0满足大于3/4T且小于2T，则表示T2时刻是与T1时刻是不同叶片的测距值并将此时的叶片测距值保存输出，同时将T0保存。

（2）由于风机叶片的转速不同，叶片周期也不同，需要根据实际运转情况自适应调整不同叶片周期T，选择每小时更新一次T，将 T0均值作为叶片周期T的更新值，对于下一时刻的三个光束的叶片测距值分别按照步骤（1）进行顺序判读，从而实现叶片测距值的实时准确输出。如图3所示，显示了经过叶片虚警抑制后的叶片测距值分布，从图3中可以看出叶片的测距值呈现周期性分布，与风机运转的周期一致，并没有出现叶片虚警。

本发明还提供了一种用于执行基于雷达的叶片虚警抑制方法的雷达结构，至少包括处理器和存储器，所述存储器存储计算机执行指令，所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，包括数据输入、数据处理、数据输出模块，执行上述基于雷达的叶片虚警抑制方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被运行时，实现上述的基于雷达的叶片虚警抑制方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于雷达的叶片虚警抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）获取系统参数及雷达沿着三个光束方向的测距值；

2）叶片变形量仿真，导入上述系统参数，分别仿真出雷达沿着三个光束方向的最小测距值；

3）剔除近距离干扰；

4）多光束测距关联，确定三个光束的约束条件，将不满足约束条件的叶片测距值置为无效测距值；

5）叶片周期判读，根据风机叶片运转的周期性，三个不同的叶片间隔时间为T，记录最近两次不同叶片触发的时间，计算时间差T0，如果时间差T0满足等于T,则保存并输出此时的叶片测距值；如果时间差T0满足大于3/4T且小于2T，保存并输出此时的叶片测距值，同时将T0保存，每小时计算T0均值作为叶片周期T的更新值。

2.根据权利要求1所述的基于雷达的叶片虚警抑制方法，其特征在于：步骤1）所述系统参数包括风场的风速与风向、风机叶片形状参数、机舱的仰角、叶片锥角、主轴长度、桨距角、塔筒的高度与半径、净空雷达的安装位置坐标、净空雷达的三个光束的安装角度和叶片根部的位置坐标。

3.根据权利要求1所述的基于雷达的叶片虚警抑制方法，其特征在于：步骤2）所述叶片变形量仿真过程利用风力机设计仿真建模计算软件Bladed实现，得到叶片叶尖刚刚触发塔筒壁的时候其叶片长度的变形量；根据叶片长度的变形量，结合三线激光雷达的安装位置坐标及光束夹角、风机叶片叶根位置坐标、叶片长度，计算出叶片刚刚触发塔筒壁时对应的雷达沿着三个光束方向的最小测距值。

4.根据权利要求1所述的基于雷达的叶片虚警抑制方法，其特征在于：步骤3）所述剔除近距离干扰过程应用最小测距值阈值法，剔除小于最小测距值的近距离干扰，保留大于或者等于最小测距值的叶片测距值。

5.根据权利要求1所述的基于雷达的叶片虚警抑制方法，其特征在于：步骤4）所述约束条件如下：对于三个光束的测距值都有效的情况，当叶片触发第一光束的时候，叶片必然触发第二光束和第三光束，将不满足这一约束条件的三个光束的叶片测距值置为无效测距值；对于只有第二光束、第三光束的测距值都有效的情况，当叶片触发第二光束的时候，叶片必然触发第三光束，将不满足这一约束条件的叶片测距值置为无效测距值。

6.根据权利要求1所述的基于雷达的叶片虚警抑制方法，其特征在于：步骤5）所述叶片周期判读过程具体为：当风机正常满发运转的时候，三个不同的叶片间隔时间为T，T为1-5s，同一个叶片连续被激光净空雷达捕捉到的次数为1-10次，获取经过多光束关联后三个光束的叶片测距值和对应的叶片测距值标识符，首先找到测距值标识符为1的时刻，记录当前时刻的时间为T1，保存并输出此刻的叶片测距值和对应的叶片测距值标识；对于下一时刻T2的叶片测距值，如果T2与T1的时间差T0=T2-T1=10T即连续出现，则表示T2时刻是与T1时刻是同一个叶片的测距值并将之保存并输出，同时将T1=T2；对于不同叶片的测距值，初始化叶片周期为T=1-5s，如果不满足时间差间隔10T但是时间差T0满足大于3/4T且小于2T，则表示T2时刻是与T1时刻是不同叶片的测距值并将此时的叶片测距值保存输出，同时将T0保存。

7.根据权利要求1或6所述的基于雷达的叶片虚警抑制方法，其特征在于：步骤5）中所述叶片周期T的更新，根据实际运转情况自适应调整不同叶片周期T，选择每小时更新一次T，将 T0均值作为叶片周期T的更新值，对于下一时刻的三个光束的叶片测距值分别按照步骤1）进行顺序判读，从而实现叶片测距值的实时准确输出。

8.一种用于执行基于雷达的叶片虚警抑制方法的雷达结构，其特征在于：至少包括处理器和存储器，所述存储器存储计算机执行指令，所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，包括数据输入、数据处理、数据输出模块，执行权利要求1所述基于雷达的叶片虚警抑制方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被运行时，实现权利要求1所述的基于雷达的叶片虚警抑制方法。

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