TW201621321A - 光學式測風系統 - Google Patents

Abstract

一種光學式測風系統，包含一光源、一透鏡單元、一感測單元及一處理單元；光源用以發射連續波雷射光；透鏡單元為單鏡單視野，透鏡單元具有相對之一第一側與一第二側，連續波雷射光由第一側射入透鏡單元，於第二側形成一擴束之連續波雷射光，擴束之連續波雷射光聚焦於一偵測位置並回傳一回波訊號；感測單元設置於透鏡單元之第一側，上述回波訊號通過透鏡單元投影至感測單元並產生一電壓訊號；處理單元耦接於感測單元，由處理單元根據電壓訊號之電壓變化而計算一目標物之走向。

Description

光學式測風系統

本發明為一種光學式測風系統，尤指一種以連續波雷射光搭配光學聚焦系統取代同調脈衝雷射、以電壓偵測取代傅立葉頻譜分析、以單鏡單視野與光電陣列之組合取代多軸掃描系統及單鏡單視野以形成一極小之觀測區而可避免寬視野在複雜地形區域之誤差之光學式測風系統。

傳統風機係以尾置風速風向計進行測風，以控制風機指向。近年來，有利用雷射進行測風，然習知雷射測風系統之問題主要包含系統複雜、單價極高及需有寬視野。

針對系統複雜與單價極高部份，請參閱圖1所示，習知測風系統採用立體掃描，其偵測範圍呈現一錐形體，如圖1虛線區域所示，錐形體會隨著距離而急速擴張，於複雜地形環境容易受到地形阻擋，而在多塔架風機環境則容易受到其他風機阻擋，皆會影響偵測結果。此外，習知測風系統屬干涉放大架構，在都卜勒雷射測風技術出現之後，將雷射設置於機艙上，可量測風機前緣數百公尺處之風場，有效避免葉片流場之干擾。但是都卜勒系統需使用脈衝式同調(coherence)雷射，同時系統需即時進行傅立葉運算，其頻譜技術需使用高速傅立葉轉換，而資料偵測/分析需使用高速運算主機，高運算需求、高功率消耗、高耗材成本，整體設備非常複雜，且單價極高，約需25000~35000歐元，且壽命短，一般不高於三年。因此無法普遍於風機配置。

其次，針對需有寬視野部份，由於都卜勒系統是在雷射路徑上量測風速分量，對於風向之偵測需以不同夾角之雷射指向以獲得風的方向，因此這個夾角越大越好。但是如此在數百公尺外會 形成一個很寬的觀測區，在有地形效應的地方，會有方位誤判的潛在問題。

此外，習知測風系統是以風速量測為優先。例如已知一種風速偵測系統，該系統未設置聚焦裝置，且其使用分軸發射/接收，因此需要特定的交會位置，此外，該系統未使用單一光路，照明區域與強度無法校正，因此必須使用峰值偵測(peak detection)，但如此可能會偵測到獨立事件，影響偵測的準確度。

據此，相關技術領域人士亟需一種「簡化雷射源、簡化運算、簡化觀測區且具有窄視野」之光學式測風系統，以解決習知相關問題，並可增加測風市場競爭力效果。

在一實施例中，本發明提出一種光學式測風系統，包含一光源、一透鏡單元、一感測單元及一處理單元；光源用以發射連續波雷射光；透鏡單元為單鏡單視野，透鏡單元具有相對之一第一側與一第二側，連續波雷射光由第一側射入透鏡單元，於第二側形成一擴束之連續波雷射光，擴束之連續波雷射光聚焦於一偵測位置並回傳一回波訊號；感測單元設置於透鏡單元之第一側，上述回波訊號通過透鏡單元投影至感測單元並產生電壓訊號；處理單元耦接於感測單元，由處理單元根據電壓訊號之電壓變化而計算一目標物之走向。

100‧‧‧光學式測風系統

10‧‧‧光源

200‧‧‧目標物

20‧‧‧透鏡單元

21‧‧‧第一側

22‧‧‧第二側

23‧‧‧觀測區

30‧‧‧感測單元

31‧‧‧成像面

40‧‧‧處理單元

4A、4B、4C‧‧‧影像變化

L10‧‧‧連續波雷射光

L20‧‧‧擴束之連續波雷射光

P‧‧‧偵測位置

S‧‧‧回波訊號

W‧‧‧寬度

圖1為習知風機之測風

圖2為本發明之一實施例之架構示意圖。

圖3為本發明進行測風之流程示意圖。

圖4為本發明之回波訊號於感測單元成像之示意圖。

請參閱圖2及圖3所示實施例，本發明之一種光學式測風系統100，包含一光源10、一透鏡單元20、一感測單元30及一處理單元40。

光源10可發射一連續波雷射光，例如，可採用雷射半導體作 為光源10，用以發射出非同調連續波之連續波雷射光L10。

透鏡單元20為單鏡單視野，透鏡單元20具有相對之一第一側21與一第二側22，連續波雷射光L10由第一側21射入透鏡單元，於第二側22形成一擴束之連續波雷射光L20，該擴束之連續波雷射光L20可聚焦於一偵測位置P並回傳一回波訊號S。偵測位置P可依所需而設定，例如，變換具有不同焦距的透鏡，即可不同的偵測位置P，例如300公尺或其他距離，或可使用變焦透鏡，以變換不同之聚焦位置。其次，擴束之連續波雷射光L20可於第二側22形成一極小的觀測區23，觀測區23之寬度W約位於5~30公分之範圍，相較於習知呈錐形外擴之觀測區，本發明以單光束、單視野形成一極小之觀測區，可避免被其他風機或地形之干擾。而當回傳回波訊號S時，回波訊號S先通過透鏡單元20，再投影至感測單元30。

感測單元30具有一成像面31，回波訊號S投影於成像面31並產生一電壓訊號，而電壓訊號之強弱會依位於偵測位置P之空間物件之變化而不同。就大氣環境而言，其含有各種物質，例如氣團、水霧，細至氣團中的粒子，以下統稱為目標物200。請參閱圖2所示，目標物200隨空氣飄動，當目標物200飄至擴束之連續波雷射光L20之照射範圍且擴束之連續波雷射光L20照射到目標物200時，回波訊號會增強，亦即電壓較強，而當目標物200繼續飄動並脫離擴束之連續波雷射光L20之照射範圍後，擴束之連續波雷射光L20照射到大氣環境中不具有目標物200之區域時，回波訊號則會減弱，亦即電壓較低，因此可於感測單元30形成明暗不同的影像。

請參閱3及圖4所示，處理單元40耦接於感測單元30，可由處理單元40根據於一段時間內之電壓訊號之電壓變化而計算目標物200之走向。圖4顯示於時間大約為5秒、9秒及20秒左右時，分別有一目標物進入偵測位置，因此導致電壓訊號出現影像變化4A、4B、4C，影像變化4A、4B、4C之矩形格分別代表擴束之連續波雷射光L20照射到目標物200時所形成之影像。就影像變化 4A而言，該矩形格代表目標物200於大約19秒時進入偵測位置P，於大約21秒時離開偵測位置P，然其距離始終維持於大約1.5公里，並未產生偏移，代表風機之朝向與風向一致，影像變化4B同理。而就影像變化4C而言，該矩形格代表目標物200於大約7秒時進入偵測位置P，於大約11秒時離開偵測位置P，而其距離由大約2.3公里偏移至2.2公里，代表風機之朝向與風向不一致。油處理單元40計算電壓訊號之二電壓變化之時間差，及可推求目標物200之走向。處理單元40可採用可程式控制(PLC控制)，以擴束之連續波雷射光L20對目標物200之回波訊號S剖面進行追蹤，並以電壓差分及電壓偵測進行運算，從而獲得目標物200之移動方向與速度。感測單元30之形式不限，例如可採用光電陣列，且可於成像面31以光電陣列區別左右像位置，以形成左右兩個觀測區，藉此辨識目標物200之左右側。此外，可設定處理單元40擷取電壓訊號之時間段。

綜上所述，本發明所提供之光學式測風系統，以連續波雷射光搭配光學聚焦系統取代同調脈衝雷射、以電壓偵測取代傅立葉頻譜分析、以單鏡單視野與光電陣列之組合取代多軸掃描系統及單鏡單視野以形成一極小之觀測區，無須使用立體掃描，空間投影(footprint)近乎一致，因而可避免寬視野在複雜地形區域之誤差，可在多塔架風機與複雜地形環境使用，無須頻譜技術，沒有高速運算需求，資料偵測可以簡化為電位偵測，DSP/嵌入式系統即可勝任運算量。經驗證，以本發明之架構可達成單一測點(500~1500公尺@5mW)，資料傳輸率(data rate)少於五秒，角解析度(水平)約為1度，風速誤差小於0.5公尺/秒(m/s)，造價低於新台幣45萬元(約合11000歐元)。據此可知，本發明確具有可達成「簡化雷射源、簡化運算、簡化觀測區且具有窄視野」之作用，可解決習知測風系統複雜、單價極高及需有寬視野問題，可降低測風系統單價成本、系統複雜度以及方位誤判，進而提高市場競爭力。

惟以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功 效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為本發明之申請專利範圍所涵蓋。

100‧‧‧光學式測風系統

10‧‧‧光源

200‧‧‧目標物

20‧‧‧透鏡單元

30‧‧‧感測單元

40‧‧‧處理單元

Claims (8)

1. 一種光學式測風系統，其包含有：一光源，用以發射連續波雷射光；一透鏡單元，該透鏡單元具有相對之一第一側與一第二側，該連續波雷射光由該第一側射入該透鏡單元，於該第二側形成一擴束之連續波雷射光，擴束之連續波雷射光聚焦於一偵測位置並回傳一回波訊號；一感測單元，設置於該透鏡單元之該第一側，上述該回波訊號通過該透鏡單元投影至該感測單元並產生一電壓訊號；以及一處理單元，耦接於該感測單元，由該處理單元根據該電壓訊號之電壓變化而計算一目標物之走向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學式測風系統，其中該感測單元為光電陣列，該光電陣列具有一成像面，該回波訊號投影於該成像面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學式測風系統，其中以該光電陣列區別左右像位置，以形成左右兩個觀測區。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學式測風系統，其中該透鏡單元於該第二側形成一觀測區，該觀測區之寬度位於5~30公分之範圍。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學式測風系統，其中該處理單元係計算該電壓訊號之二電壓變化之時間差，以推求該目標物之走向。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學式測風系統，其中該處理單元採用可程式控制(PLC控制)，以該連續波雷射光對該目標物之回波訊號剖面進行追蹤，並以電壓差分及電壓偵測進行運算，從而獲得該目標物之移動方向與速度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學式測風系統，其中該光源為雷射半導體，用以發射出非同調之連續波雷射光。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學式測風系統，其中該目標物為氣團、水霧或氣團中的粒子。