用于远程风感测的方法、装置和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了用于远程风感测的方法、装置和系统。其中一种激光风速计，包括：可调谐激光器；扫描仪，从所述可调谐激光器接收输出，并在各个扫描方向提供激光束输出；以及至少一个探测器，用于从反向散射的激光束输出中接收信号。
【专利说明】用于远程风感测的方法、装置和系统
[0001] 本申请是申请日为2010年9月28日、申请号为201080043382. 6、发明名称为"用 于远程风感测的方法、装置和系统"的专利申请的分案申请，其全部内容结合于此作为参 考。
[0002] 关联申请的参考
[0003] 本发明参考以下申请：2009年9月28日提交的题为"Method, Devices, and Systems for Remote Wind Sensing(用于远程风感测的方法、装置和系统）"的美国临时专 利申请系列号 61/246, 174 ;2009 年 12 月 13 日提交的题为"Method, Devices, and Systems for Remote Wind Sensing"的美国临时专利申请系列号61/285,991 ;2010年6月7日提 交的题为"Method, Devices, and Systems for Remote Wind Sensing 的美国临时专利申请 系列号61/351，976;以及2010年6 月 8 日提交的题为" Method，Devices, and Systems for Remote Wind Sensing" 的美国临时专利申请系列号 61/352, 396。根据 37CFR1. 78(a) (4) 和（5) (i)，所述专利申请的公开内容以引用方式结合于此，并且本发明要求所述专利申请 的优先权。
【技术领域】
[0004] 本发明涉及用于监控风特性的系统和方法，特别用在风轮机装置中。
【背景技术】
[0005] 以下公开文献被认为是代表目前的技术水平，纳入本文作为参考：
[0006] 美国专利 6, 320, 272、5, 796, 471、7, 311，000、6, 946, 751、7, 342, 323、7, 221，438、 7, 281，891、6, 646, 725、7, 391，506、6, 687, 036 和 4, 651，017 ;
[0007] 美国公开专利申请 2007/0158493、2008/0210881、2009/0099702 和 2009/0046289 ；
[0008] 日本专利 JPll27l35〇 和 JPlll33〇49 ;
[0009] Journal of Applied Meteorology (应用气象学杂志）40:1331-1346 (2001)中 Mayor等人的 Two-Dimensional Vector Wind Field from Volume Imaging Lidar Data(来 自容积成像雷达数据的二维向量风场）；
[0010] Journal of Ggeophysical Research (地球物理学研究杂志）100:25559-25567 中 Piironen等人的Accuracy Analysis of Wind Profiled Calculated from Volume Imaging Lidar Data(根据容积成像雷达数据计算的风速轮廓线的精度分析）；以及
[0011] 风力工程 13:1-15 中 Vaughn等人的Laser Doppler Velocimetry Applied to the Measurement of Local and Global Wind(用于测量局地风和全球风的激光多普勒测速）。
[0012] 边界层气象学 101:305-328,2001 中 William Τ· Buttler 等人的 Remote sensing of three dimensional winds with elastic Lidar:explanation of maximum cross-correlation method(利用弹性雷达进行三维风远程感应：最大互关联联法的解 释）。
[0013] 日本应用物理杂志，第29卷，第2期，1990年2月，pp. 441-444中Ichiro Matsui 等人的Wind Profiling by a conical-scanning time correlation Lidar(利用维形扫描 时间关联雷达的风速轮廓线）。
[0014] 日本应用物理杂志，第37(1998)卷，pp. 5598-560中Nobuo Sugimoto等人的 An improved method for wind measurement with a conical-scanning correlation Lidar (利用锥形扫描关联雷达测量风速的改进方法）。
[0015] 应用光学，第 20 卷，第 23 期，ρρ·4073-4081(1981)中 Ting-i Wang、G.R.0chs 和 R. S. Lawrence 的 Wind measurements by the temporal cross-correlation of the optical scintillations (利用光闪烁的瞬时互关联联测量风速。
【发明内容】
[0016] 本发明力图提供用于监控风特性的改进系统和方法，特别用于风轮机装置。
[0017] 因此，根据本发明的一个优选实施例，提供了 一种用于监控一定容积内的风特性 的系统，所述系统包括：多个非相干激光风速计，用于测量位于所述容积内的多个对应子容 积中的风特性；以及数据处理子系统，用于从所述多个非相干激光风速计中接收数据，以及 提供表示所述容积中的风特性的输出数据。
[0018] 优选地，所述多个非相干激光风速计和所述数据处理子系统用于以每秒至少一次 的更新率提供所述容积内的三维风速向量。另外，所述系统还包括建模功能，用于计算多个 风轮机的最大输出功率和最佳位置。
[0019] 根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种激光风速计，所述激光风速计包 括可调谐激光器、从所述可调谐激光器中接收输出且在各个扫描方向提供激光束输出的扫 描仪、以及用于从反向散射激光束输出中接收信号的至少一个探测器。
[0020] 优选地，所述可调谐激光器为波长可调谐激光器，所述扫描仪为波长响应扫描仪， 其在多个波长下接收所述输出，并根据所述多个波长在各个扫描方向提供所述激光束输 出。另外，所述激光风速计还包括用于给所述可调谐激光器提供定时控制输出的风速计传 输控制器。
[0021] 根据本发明的一个优选实施例，所述控制输出包括可调谐激光器的脉冲输出的功 率电平、时间和波长。另外，所述激光风速计还包括光学放大器。附加地或可替代地，所述 激光风速计还包括耦接至所述可调谐激光器的波分多路复用器。
[0022] 可替代地，所述至少一个探测器包括探测器阵列。附加地，所述激光风速计还包括 滤光器。优选地，所述激光风速计还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联 的关联电路。
[0023] 根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种激光风速计，所述激光风速 计包括：激光器；光学开关，对控制信号做出响应，以便于在各个扫描方向提供激光束，当 撞击在大气中的粒子上时所述激光束具有非相干性；以及至少一个探测器，用于从非相干 的反向散射激光束输出中接收信号。附加地，所述激光风速计还包括光学放大器。可替代 地，所述至少一个探测器包括探测器阵列。优选地，所述激光风速计还包括滤光器。优选地， 所述激光风速计还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。
[0024] 根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种激光风速计，所述激光风速 计包括：激光器；光学开关，所述光学开关不具有活动部分且对控制信号做出响应，以便于 在各个扫描方向提供激光束输出；以及至少一个探测器，用于从反向散射激光束输出中接 收信号。优选地，所述激光风速计还包括光学放大器。可替代地，所述至少一个探测器包括 探测器阵列。优选地，所述激光风速计还包括滤光器。优选地，所述激光风速计还包括用于 使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。
[0025] 根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种激光风速计，所述激光风速 计包括：激光器;MEMS光学开关，其对控制信号做出响应以便于在各个扫描方向提供激光 束输出；以及至少一个探测器，用于从反向散射激光束输出中接收信号。优选地，所述激光 风速计还包括光学放大器。可替代地，所述至少一个探测器包括探测器阵列。优选地，所述 激光风速计还包括滤光器。优选地，所述激光风速计还包括用于使所述至少一个探测器接 收的信号相互关联的关联电路。
[0026] 根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种激光风速计，所述激光风速 计包括：激光器；激光束分离器，用于在多个扫描方向同时提供激光束输出；以及多个探测 器，用于从所述激光束输出的反向散射中接收信号。优选地，所述激光风速计还包括光学放 大器。优选地，所述激光风速计还包括滤光器。优选地，所述激光风速计还包括用于使所述 探测器接收的信号相互关联的关联电路。
[0027] 根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种用于控制多个风轮机的运 行的系统，所述系统包括：多个风速计，用于测量至少多个位置处的风特性；数据处理子系 统，用于从所述多个风速计中接收数据且提供表示所述多个位置处的所述风特性的输出数 据；以及控制子系统，从所述数据处理子系统接收所述输出数据且将风轮机控制信号提供 给至少基本靠近所述多个位置的多个风轮机。
[0028] 根据本发明的一个优选实施例，所述多个风速计包括多个激光风速计。优选地，所 述多个激光风速计包括至少一个非相干激光风速计。附加地，所述数据处理子系统通过无 线通信链路从所述多个风速计接收所述数据。优选地，所述多个风速计包括沿水平方向定 向的至少一个风速计。附加地，所述多个风速计包括沿坚直方向定向的至少一个风速计。
[0029] 优选地，所述风轮机控制信号包括转子对准信号、叶片间距信号和转子锁定信号 的中的至少一个。附加地，所述数据处理子系统用于以每秒至少一次的更新率接收数据，并 且所述控制子系统用于以每秒一次与几分钟一次之间的更新率提供所述风轮机控制信号。 优选地，所述数据处理子系统用于进行空气动力学计算，以提供所述数据输出。
[0030] 根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种用于监控风速的激光风速计系 统，所述系统包括：至少一个激光器，从至少一个位置向外引导至少一个激光照明束；至少 一个激光照明接收器，从与所述至少一个位置相距不同距离的大气中的粒子接收所述激光 照明的反射；以及关联电路，用于使来自所述至少一个激光照明反射的输出相互关联，所述 输出表示来自与所述至少一个位置相距不同距离的不同粒子的反射，从而提供沿接近所述 位置的至少一个方向的风速的输出指示。
[0031] 根据本发明的一个优选实施例，所述关联电路用于产生关联图表。优选地，所述关 联图表为关联函数C(t)图表，其数学描述为：
[0032]
【权利要求】
1. 一种激光风速计，包括： 可调谐激光器； 扫描仪，从所述可调谐激光器接收输出，并在各个扫描方向提供激光束输出；以及 至少一个探测器，用于从反向散射的激光束输出中接收信号。
2. 根据权利要求1所述的激光风速计，其特征在于，所述可调谐激光器为波长可调谐 激光器，所述扫描仪为波长响应扫描仪，在多个波长下接收所述输出，并根据所述多个波长 在各个扫描方向提供所述激光束输出。
3. 根据权利要求1所述的激光风速计，还包括用于给所述可调谐激光器提供定时控制 输出的风速计传输控制器。
4. 根据权利要求3所述的激光风速计，其特征在于，所述控制输出包括所述可调谐激 光器的脉冲输出的功率电平、时间和波长。
5. 根据权利要求1所述的激光风速计，还包括光学放大器。
6. 根据权利要求1所述的激光风速计，还包括与所述可调谐激光器耦接的波分多路复 用器。
7. 根据权利要求1所述的激光风速计，其特征在于，所述至少一个探测器包括探测器 阵列。
8. 根据权利要求1所述的激光风速计，还包括滤光器。
9. 根据权利要求1所述的激光风速计，还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号 相互关联的关联电路。
10. -种激光风速计，包括： 激光器； 光学开关，对控制信号做出响应，以便在各个扫描方向提供激光束，当所述激光束撞击 在大气中的粒子上时具有非相干性；以及 至少一个探测器，用于从非相干的反向散射的激光束输出中接收信号。
11. 根据权利要求10所述的激光风速计，还包括光学放大器。
12. 根据权利要求10所述的激光风速计，其特征在于，所述至少一个探测器包括探测 器阵列。
13. 根据权利要求10所述的激光风速计，还包括滤光器。
14. 根据权利要求10所述的激光风速计，还包括用于使所述至少一个探测器接收的信 号相互关联的关联电路。
15. -种激光风速计，包括： 激光器； 光学开关，所述光学开关不具有活动部分且对控制信号做出响应以便在各个扫描方向 提供激光束输出；以及 至少一个探测器，用于从反向散射的激光束输出中接收信号。
16. 根据权利要求15所述的激光风速计，还包括光学放大器。
17. 根据权利要求15所述的激光风速计，其特征在于，所述至少一个探测器包括探测 器阵列。
18. 根据权利要求15所述的激光风速计，还包括滤光器。
19. 根据权利要求15所述的激光风速计，还包括用于使所述至少一个探测器接收的信 号相互关联的关联电路。
20. -种激光风速计，包括： 激光器； MEMS光学开关，所述MEMS光学开关对控制信号做出响应以便于在各个扫描方向提供 激光束输出；以及 至少一个探测器，用于从反向散射的激光束输出中接收信号。
21. 根据权利要求20所述的激光风速计，还包括光学放大器。
22. 根据权利要求20所述的激光风速计，其特征在于，所述至少一个探测器包括探测 器阵列。
23. 根据权利要求20所述的激光风速计，还包括滤光器。
24. 根据权利要求20所述的激光风速计，还包括用于使所述至少一个探测器接收的信 号相互关联的关联电路。
25. -种激光风速计，包括： 激光器； 激光束分离器，用于在多个扫描方向同时提供激光束输出；以及 多个探测器，用于从所述激光束输出的反向散射中接收信号。
26. 根据权利要求25所述的激光风速计，还包括光学放大器。
27. 根据权利要求25所述的激光风速计，还包括滤光器。
28. 根据权利要求25所述的激光风速计，还包括用于使所述探测器接收的信号相互关 联的关联电路。
29. -种用于监控风速的激光风速计系统，包括： 至少一个激光器，从至少一个位置向外引导激光照明的至少一个束； 至少一个激光照明接收器，从位于距所述至少一个位置不同距离的大气中的粒子接收 所述激光照明的反射；以及 关联电路，用于使来自所述至少一个激光照明的输出相互关联，所述输出表示来自与 所述至少一个位置相距所述不同距离的不同粒子的反射，从而提供沿接近所述位置的至少 一个方向的风速的输出指不。
30. 根据权利要求29所述的用于监控风速的激光风速计系统，其特征在于，所述关联 电路用于产生关联图。
31. 根据权利要求30所述的用于监控风速的激光风速计系统，其特征在于，所述关联 图为关联函数C(t)图，其数学描述为：
其中： IA和IB分别为随时间而变的来自空间位置A和B的反射激光束的强度； h表示记录反射样本的η个时间点的其中之一；和L分别为在η个时间点上记录的 η个样本的来自位置Α和Β的平均反射强度；以及 τ为对于其计算关联函数的时差参数，τ可为正数或负数。
32. -种用于监控风速的激光风速计方法，包括： 利用至少一个激光器从至少一个位置向外引导激光照明的至少一个束； 利用至少一个激光照明接收器从位于距所述至少一个位置不同距离的大气中的粒子 接收所述激光照明的反射；以及 利用关联电路使来自所述至少一个激光照明的输出相互关联，所述输出表示来自与所 述至少一个位置相距所述不同距离的不同粒子的反射，从而提供沿接近所述位置的至少一 个方向的风速的输出指示。
33. 根据权利要求32所述的用于监控风速的激光风速计方法，其特征在于，所述关联 电路用于产生关联图。
34. 根据权利要求33所述的用于监控风速的激光风速计方法，其特征在于，所述关联 图为关联函数C(t)图，其数学描述为：
其中： IA和IB分别为随时间而变的来自空间位置A和B的反射激光束的强度； 心表示记录反射样本的η个时间点的其中之一；7』和乙分别为在η个时间点上记录的 η个样本的来自位置Α和Β的平均反射强度；以及 τ为对于其计算关联函数的时差参数，τ可为正数或负数。
【文档编号】G01P5/26GK104101731SQ201410318813
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2010年9月28日 优先权日:2009年9月28日
【发明者】萨吉·特萨德卡, 内森·塞拉 申请人:喷特路姆科技有限公司