CN205643385U - 一种小型化多普勒激光雷达测风系统 - Google Patents

Abstract

一种小型化多普勒激光雷达测风系统，包括激光发生器、光学发射‑接收单元、光学探测单元、信号处理单元、数据通讯接口和控制/电源单元，激光发生器、信号处理单元、数据通讯接口和控制/电源单元组成发射‑处理模块，光学发射‑接收单元和光学探测单元组成光学头模块，作为一种小型风机机载测风设备，整个光学头模块通过安装基座安装到风机上，发射‑处理模块安装在机舱内，两者通过光纤和数据线相连，本实用新型采用模块化设计，集发射、接收、探测、处理、数据通讯为一体，具有小型化的特点，适合在线测风和实时分析。

Description

一种小型化多普勒激光雷达测风系统

技术领域

本实用新型属于风场探测系统技术领域，涉及一种小型化多普勒激光雷达测风系统。该系统可安装于风机上，作为风机的前向测风设备，或装在地面，用于测量周边风速。

背景技术

随着新能源及风力发电行业的快速发展，风机的安装量呈快速上涨趋势。由于风电场的收益与发电量的多少直接相关，如何提高发电量成为需要解决的主要问题。传统的方法主要是优化风机的控制技术，如采用“直接速度控制”、“风机模型预测控制”等。但由于控制通常采用精度较差的风杯或超声波测风仪的测量信号作为控制信号的输入或比较信号，控制的精度较差，使得控制优化的效果变差，发电量提高的潜力仅在1％以内。具有更高精度的雷达测风技术逐渐被引入到风电场中。

激光测风雷达主要居于熟知的激光多普勒频移技术，即通过发射相干激光光束，获取目标区域风场的多普勒频移信息，并通过对频移信号的处理进而获得相应的近似风速。由于目标区域通常在风机或风场前方区域，激光雷达避免了风机自身尾流的影响，测量的时效性和精度都比传统的测风设备好。基于激光雷达技术的偏航角控制的实践表明，这种技术可产生更大的发电增量，如达到2％或以上。

近十年国外在这个领域发展了多种商用类型的激光测风雷达，如英国的GALION，法国的WINCUBE、IRIS脉冲式激光雷达以及英国的ZEPHIR连续波激光雷达等。这些激光雷达性能强大，如英国的GALION和法国的WINCUBE可用于陆上及近海大风场的测量，可反演几百米到几十公里范围内的风场分布，如在陆上风电机场中就是采用这种方法 进行矫正以提高发电量。但是这类激光测速雷达价格昂贵，体积较大，仅能安装于地面，还未在风电场中大面积推广。由于风场整体矫正的做法要求风电场内一定区域的风机都采用相同的偏航角控制策略，这在风场地形较复杂或范围分布较广的情况下，仍然无法做到每台风机的实时优化，因而希望测风装置能够小型化，以便直接安装在风机机舱顶部，如IRIS脉冲式激光雷达，这样就可以按照每台风机所处的实际迎风条件进行单独的控制。按照这个思路，需要在每台风机上安装一台测风雷达，可达到风场控制的最优化。

随着激光、光纤通讯及传感技术的发展，在以下三个方面使得激光测风雷达的小型化、简易化变得越来越可行。一是激光器的发展，特别是光纤激光器和半导体激光器的发展，使得激光的运用得到飞速发展。光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无法比拟的技术优势，如光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤内容易形成高功率密度，功率可达到数瓦，转换率高、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点在光纤通讯中得到运用，同时由于光纤具有好的柔性，激光器结构紧凑、体积小，易于集成，性价比较高。与CO2激光器相比，由于可选择近红外波段，激光器无需特殊的带冷却的光探测器及特殊光学元件材质，运用得到大大简化。由于其线宽窄的特点，相干距离可达到几公里至几十公里，可用于较长的探测距离，比较适合脉冲式激光测风雷达的运用。如中国专利CN103713293 A公布的全光纤多普勒激光雷达风场探测系统及探测方法。半导体激光器以半导体材料作为工作介质，可采用较低的阈值电流获得较大的激光辐射，体积可以做得很小，重量更轻，寿命超过10000小时，是目前最被重视的激光器，由于其价格更低，在光通讯、激光器泵浦等领域中商品化程度高，连续波功率可由mW数量级到W数量级的水平，脉冲波可达到数W级别，波长为0.4-1.6μm，线宽较窄。经过十几年的发展，二极管激光源在输出功率、相位引导强度噪声及温度变化 对阈值电流和波长的影响等方面都有了很大的改进。研究表明，半导体激光器的单色性及相干性等性能已经可以用于激光测风雷达，由于其相干长度的特点，比较适宜较短距离激光测风雷达的运用。二是高敏感性弱光探测器的性价比有了较大的提升。在要求测量风电场风速的场合，小型化非常重要，采用“点源”探测器如光伏探测器已可以满足要求，为降低系统成本和复杂性，如没有额外要求可不采用“面源”探测器如CCD。三是高速数据采集和信号处理技术的实用化，如高速A/D、高性能FPGA及快速傅立叶算法的运用，可实现在线高速测量和计算，对于风机偏航角的实时控制提供了基础。

根据风机机载激光雷达初步运用的实践表明，以上技术日趋成熟，小型化风机机载激光测风雷达将进入实用阶段，该技术具有很好的运用前景。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种小型化多普勒激光雷达测风系统，解决目前测风雷达大型化带来的价格昂贵、风机控制精度及发电量有待提高的问题。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是：一种小型化多普勒激光雷达测风系统，包括一个激光发生器、一个光学发射-接收单元、一个光学探测单元、一个信号处理单元、一个数据通讯接口和一个控制/电源单元，激光发生器、信号处理单元、数据通讯接口和控制/电源单元组成发射-处理模块，光学发射-接收单元和光学探测单元组成光学头模块，作为一种小型风机机载测风设备，整个光学头模块通过安装基座安装到风机上，发射-处理模块安装在机舱内，两者通过光纤和数据线相连。

本实用新型第一方面就是采用合适的激光发生器。激光发生器为外腔式可调频锥形二极管半导体激光器，采用连续波激光，波长范围 为近红外波段，输出功率可达几百毫瓦至瓦级。在采用相干外差法求取多普勒频移时，由于散射光的强度通常仅有出射光光强的10^-11-10^-13，要求激光具有较高的功率。考虑到相应等级功率风机所需的适宜的探测距离(如满足IEC61400规定的测风距离要求，通常要达到2D-4D叶轮的距离，大约距离风机60-200米)，据此推算激光的输出功率需达到W级，同时需要有较窄的频宽，100-300kHZ。为了保持激光的相干性，要求采用单频激光器，通常达到100THZ以上。同时为了考虑操作、调试的安全，采用光纤通讯中广泛采用的近红外附近波长激光，即1.3μm-1.6μm波段波长激光，该波段激光对眼是安全的。从背景技术介绍中可知，光纤激光和半导体激光均可以满足此要求。比较而言，由于全光纤激光无论采用半导体泵浦加光纤放大器或光纤激光加光纤放大器，其复杂性及成本均比全半导体激光器来得高，采用半导体激光器具有一定的优势。本实用新型采用一种外腔式可调频锥形二极管半导体激光器(InGaAsP)。该激光器线宽更窄，约20-60kHZ，阈值电流较低，锥形增益大，波长1470nm输出功率达到0.6-1W。

另一方面，本实用新型采用相干探测法探测风速信息。为形成相干信号，要求信号光和参考光空间方向严格对准，在空间、频率和偏振满足苛刻的条件。空间上，要求信号光和参考光重合并垂直入射到光探测器表面，也就是两束光的波前在探测器表面保持相同的相位。由于光辐射的波长比光探测器的尺寸小得多，实际上光混频是在一个个小面积元上发生，总的光电流等于光探测器表面每一个微元产生的电流之和。只有当这些电流保持一定的相位关系时，总的电流才会达到最大。这就要求信号光和参考光的波前必须重合，即角准直。角准直条件可用式(1)表述。

sinθ＜＜λ/πd(1)

其中θ

为参考光和信号光波前夹角，λ为波长，d为探测器光敏面的长度

式(1)反映了信号光和参考光在空间的准直要求。因此波长越长，光电探测器的尺寸越小，允许的失配角θ就越大。因而，在波长确定的情况下应适当减小光电探测器的尺寸或入射到光电探测器的尺寸。但这往往难度很大。本实用新型的实例中在减小探测器尺寸的基础上采用压缩信号光的办法，即利用聚焦透镜和探测器相结合。该做法把探测器放在透镜的焦平面上，参考光和信号光同时经透镜汇聚于探测器上，这样实际投射到探测器上的尺寸大大减小，但光的强度大大提高，提高了相干混频的效率，一定程度上减少了对中的困难。这种做法避免了传统方法中采用一系列的信号预放大、过滤或需采用干涉仪调节的方案，简化了光路元件的配置。

在频率条件上要求激光单色性好，选用单横模激光器，且采用恒温设计保持频率稳定，稳频温度可达到0.05℃。

偏振条件上要求探测器上信号光和参考光的偏振方向一致。本实用新型中通过设置偏振分光镜、相位调制以满足对偏振态的准确控制要求。

相干探测除了满足一定的相干条件外，为了能够实用，还需要解决好信噪比问题。由于散射光很弱，在与强度较大的参考光混频时可能产生较大的散粒噪音，这是主要的噪音源。本实用新型通过在生成参考光的回路上配置两块不同角度的分光镜，根据测速的要求精准控制分光量，使得参考光的入射较均匀。另外，通过前述探测器前的聚光透镜，进一步对参考光和信号光进行过滤，过滤高阶组分，使得探测器接收的光束仅为高斯光束，因而光探测对散粒噪音有了较大的抑制。在激光源的选择时，也要求激光相对强度噪音RIN应低于探测器上的拍频信号。

本实用新型采用连续波激光雷达，并采用聚焦的方式进行测量。 在测量光路的考虑上，需要选择合适的测量体体积。因为对于目标测量区间一定的气溶胶颗粒而言，测量体体积越大，分辨粒子的能力就会降低；但如果体积过小，则有可能无法测到相关的粒子。根据散射理论，一味增大望远镜的尺寸并不一定会增加接受散射光的光强。根据测量体体积的估算式，在波长和测距一定的情况下，大幅加大出射镜的尺寸将会大幅减小测量体的体积，如果体积过小，则有可能无法测到相关的粒子，因而设计时可以根据一定距离的散射效率和光回收情况，合理确定测量体的体积。另外，望远镜本身也可以作为空间过滤器，对于合理的测量体而言，测量焦点中心的条纹分布将呈现内部为近视高斯光斑，外部为高阶非高斯光束的情况，这样回收的散射光也主要以高斯光束为主，减少了可能的反射光之间相互干涉产生的“散斑”。此外，在光路设计上，通过在局部光路的隔离和镜片的安装角度的调节，消除内部反射光的影响，减少因内部反射光导致的相位噪音及对激光的影响。通过以上方法，可以提高系统的分辨率和信噪比。

本实用新型的第三个方面是采用高性价比高敏感性弱光探测器。本实用新型激光雷达测风系统中光学探测单元采用一个快速PIN二极管探测器。传统常用的弱光探测器如光电倍增管PMT、雪崩光电二级管APD，虽然电流灵敏度高、响应速度快，但需要较高的操作电压，APD需几百伏的电压，存在较大的暗电流，电路尺寸和价格也不占优势。本实用新型中采用InGaAs PIN光电二极管。与一般的光电二极管相比，它具有较小的时间常数，工作电压低，仅15V，由于采用高阻本征半导体中间层，使整体电容变得更小，具有很高的PIN频率响应，从nS至几百pS。其频带宽，适用于0.9μm-1.7μm波长。同时具有暗电流和噪声等效功率低、增益高的特点，增益可达2-3×10³V/W。但由于采用了高阻本征半导体中间层，使得输出电流很小，需要后续放大电路。但考虑到采用耦合多级放大器成本低，容易实现， 因而InGaAs PIN二极管在小成本的情况下实现了本实例中的10^-11-10^-13W微光探测的运用。

根据PIN二极管频带宽的特点，采用窄频探测器，可以应对多普勒频移相对激光中心频率小得多的特点，提高了信噪比。另外，采用高敏感性的探测器可以减少激光功率的需求，在较低的激光功率下可获得合适的信噪比。

本实用新型的第四个方面是数据高速采集和信号处理。本实用新型激光雷达测风系统中信号处理单元为集成的高速电子计算电路，对光学探测单元得到的探测信号进行处理分析后，得到所需的风速信息。信号处理主要采用快速傅立叶变换(FFT)，它把时域信号转化为频域信号后进行处理，以提高系统的分辨率。采用100MHZ高速A/D采样，可实现最大约50MHZ的频谱分析速率，对应典型测风速度达到38.8m/s，这已经可以满足风场风速的测量上限。通过FFT与高性能FPGA的组合，在上述采样频率下可实现约25ms-30ms一次测量结果的输出。上述结果经有效性判定后用于风机控制信号。在线高速测量和计算实现了对于风机的实时控制。

从以上方面可以看出，与现有技术相比，该方案有几个特点：

1、适合在线测风和实时分析。该装置光路混频效率较高，可以满足相干探测法的条件，信噪比满足要求，分辨率高和采样速度较快，适合风机在线控制。

2、小型化。通过简化光路元件，如采用半导体激光器、PIN二极管光电探测器、标准光学元件等降低装置成本，同时使发射、接收、探测为一体，避免收-发分置，避免采用两套光学元件，装置紧凑，重量轻。

3、模块化设计。整个激光雷达测风系统由发射-处理模块和光学头模块两个模块组成，可以最大限度简化设计和安装的界面和接口，可扩展性好。

附图说明

图1是本实用新型的基本系统组成。

图2是本实用新型的第一个实例(基本形式1)。

图3是本实用新型的第二个实例(基本形式2)。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本实用新型进行详细说明。

下面附图用于示意和简化描述，并仅保留了与理解本实用新型相关的重要的细节，其它的细节已经被除去。图中，对于相同的部分采用相同的参考数字。

图1描述了本实用新型的基本系统组成。一种小型化多谱勒激光雷达测风系统，包括：一个激光发生器(1)、一个光学发射-接收单元(2)、一个光学探测单元(3)、一个信号处理单元(4)、一个数据通讯接口(5)和一个控制/电源单元(6)，激光发生器(1)、信号处理单元(4)、数据通讯接口(5)和控制/电源单元(6)组成发射-处理模块(7)，光学发射-接收单元(2)和光学探测单元(3)组成光学头模块(8)，作为一种小型风机机载测风设备，整个光学头模块(8)通过安装基座安装到风机上，发射-处理模块(7)安装在机舱内，两者通过光纤和数据线相连。

图2是根据本实用新型图解示意的第一个小型化多谱勒激光雷达测风系统的实例，系统编号100。系统100包含了一个外腔式可调频锥形二极管InGaAsP激光器1，组成激光发生器(1)，采用连续激光，波长1.47μm，输出功率等级优先选择0.6W-1W范围，相干长度最大可达约1km。相干光从激光发生器1中出射，经准直器2和偏振片3控制，输出为线性偏振光，P偏振光。该线偏振光，沿光路20进入非偏振分光镜4后分成两束，一束作为相干参考光，见光路30， 一束作为测量光束，见光路40。分光镜设计为能够通过绝大部分激光发出的光，仅很小一部分光，约1％-2％的总光强作为相干参考光束，其余98％-99％的光强作为后续测量光束。测量光束40随后入射到一个布鲁斯特型窗口片5上。适当倾斜这个窗口片5，当入射光的角度满足布鲁斯特角条件时，该窗口片5可以近乎毫无损耗地通过与入射偏振光偏振态P相同的部分，而近乎完全反射与入射偏振光偏振态P相反的部分，即在纸面内的S偏振光。从5出射的偏振光紧接着入射到偏振光调制器6，1/4波片上。由于该波片有两个光轴，光在其上传播速度不同。偏振光在不同光轴上的速度差异使该测量光束从线性P偏振光，转变为具有相应旋向的圆形偏振光50，如图按右手定则为逆时针右旋。在图1中采用箭头和参考字母P或S表示系统中不同点处光的偏振状态。

如图中所示，圆形偏振测量光50通过望远镜系统7聚焦到预先期望的测量体90上，用于得到该处的多普勒频移。从该测量体处气溶胶反射回来的测量光将改变圆形偏振光的旋向，即从入射到测量体气溶胶颗粒的逆时针右旋的圆形偏振光转变为顺时针左旋的圆形偏振光。此外，反射光经历了一个多普勒频移，这个频移量的大小与该测量体中气溶胶颗粒沿着反射方向的速度分量大小成正比。当左旋的圆形偏振光反向通过1/4波片6时，根据波片的性质，此圆形偏振光将转变为线性偏振光，但是这个线性偏振光的振动方向，S偏振态，与入射光40，P偏振态相比旋转了90°，即两者相互垂直。根据布鲁斯特型窗口片5的设置，该线性S偏振光在窗口片5上完全反射，并沿着光路60经过分光镜9。通过设置分光镜9的角度，从1/4波片6反射回来的线性偏振光的99％将被分光镜9反射。因此，沿光路60的光将绝大部分经过光路80进入聚焦透镜10。这里，10用于把入射光线聚焦到一个探测器11上。

回到分光镜4。由于分光镜4为非偏振分光镜，从该处分出的参 考光，见光路30，具有与原激光出射光相同的偏振态，如图为P偏振态。该参考光随后经过一个1/2波片8，该参考光的偏振角将旋转90°，变为S偏振态。也就是说此时参考光的线性偏振与反射光的线性偏振已经相互匹配。为了控制参考光的光强，从1/2波片8出射的光，见光路70，仅有约10％透过分光镜9，这部分剩余的参考光与来至光路60的反射光进行混合。带有多普勒频移信息的反射光与参考光进行混合后，将产生瞬时的光强变化或拍频。这个拍频信号里包含了计算风速所需的全部信息，包括幅值、频率和相位。上述非偏振分光镜、半波片、分光镜、布鲁斯特型窗口片、偏振光调制器、聚焦透镜和望远镜组成了本实用新型激光雷达测风系统的光学发射-接收单元(2)。光探测器11为InGaAs快速PIN二极管，其组成了本实用新型激光雷达测风系统的光学探测单元(3)，其产生的光电流信号的幅值表明了光强的大小，经过信号处理单元(4)过滤、放大处理后可作为后续分析数据的输入，再经A/D转换，FFT频谱计算，得到频谱中心频率，最终可根据vr＝λΔf/2，其中λ为波长，Δf为频谱中心频率，推算出沿测量光方向的速度vr的大小，进而得到该处的近似风速。所得风速信息通过数据通讯接口(5)输出。

图3为本实用新型的第二个实例。本实例的配置与图2基本相同，相关编号不变，差别在于在窗口片5和望远镜系统7之间的光学元件偏振光调制器由第一个实例中的1/4波片6变为本实例中的线性偏振光调制器12，该调制器由45°石英旋光片13和1/2波片14组成，其中1/2波片的光轴方向与垂直方向的夹角为22.5°。从调整后的光路可知，测量光由实例1中的圆形偏振光改为本实例中的线性偏振光。从图3光路中可知，测量光偏振态为P偏振，则经偏振光调制器12后的出射光为S偏振。该偏振光作为测量光通过望远镜系统7聚焦到预先期望的测量体90上，用于得到该处的多普勒频移。从该测量体处气溶胶反射回来的测量光仍保持相同的偏振态不变，仍为S偏 振光。该反射光反向经过偏振光调制器12后，光的偏振态依然没有变化，还是S偏振光，也就是说偏振光调制器左侧的入射和出射光偏振方向互相垂直，偏振光调制器右侧的出射和入射光偏振方向互相平行。后续光路的处理将与图2实例完全相同，达到了相同的测量目的。

Claims (8)

1.一种小型化多普勒激光雷达测风系统，其特征在于：包括一个激光发生器(1)、一个光学发射-接收单元(2)、一个光学探测单元(3)、一个信号处理单元(4)、一个数据通讯接口(5)和一个控制/电源单元(6)，激光发生器(1)、信号处理单元(4)、数据通讯接口(5)和控制/电源单元(6)组成发射-处理模块(7)，光学发射-接收单元(2)和光学探测单元(3)组成光学头模块(8)。

2.根据权利要求1所述的激光雷达测风系统，其特征是：激光发生器(1)为外腔式可调频锥形二极管半导体激光器，采用连续波激光，波长范围为近红外波段，输出功率可达几百毫瓦至瓦级。

3.根据权利要求1所述的激光雷达测风系统，其特征是：光学发射-接收单元(2)由非偏振分光镜、半波片、分光镜、布鲁斯特型窗口片、偏振光调制器、望远镜和聚焦透镜组成。

4.根据权利要求3所述的激光雷达测风系统，其特征是：所述偏振光调制器为一个1/4波片，用于把出射激光从线偏振光转变为圆形偏振光。

5.根据权利要求3所述的激光雷达测风系统，其特征是：所述偏振光调制器由一个旋光片和半波片组成，可实现偏振光调制器左侧的入射和出射光偏振方向互相垂直，偏振光调制器右侧的出射和入射光偏振方向互相平行。

6.根据权利要求1所述的激光雷达测风系统，其特征是：光学探测单元(3)为一个快速PIN二极管探测器。

7.根据权利要求1所述的激光雷达测风系统，其特征是：信号处理单元(4)为集成的高速电子计算电路，对光学探测单元(3)得到的探测信号进行处理分析后，得到所需的风速信息。

8.根据权利要求1-7任一项所述的激光雷达测风系统，其特征是：作为一种小型风机机载测风设备，整个光学头模块(8)通过安装基座安装到风机上，发射-处理模块(7)安装在机舱内，两者通过光纤和数据线相连，实现激光传递、数据连接和控制反馈。