基于偏振效应和自混合效应的激光矢量测风方法及测风雷达与流程
本发明涉及风力风向测试技术领域，尤其涉及一种基于偏振效应和自混合效应的激光矢量测风方法及测风雷达。
背景技术：
风能作为清洁可再生能源，逐渐受世界各国的重视，催生了风力发电装机容量的迅速发展。但风力发电会受风速风向随机变化不利影响，包括风向变化带来的风机偏航问题与风速变化带来的功率波动问题，因此如何对风力风向的实时测量技术是实现高效能、高安全性风力发电的关键。
目前测风设备主要分为两大类型：传统的风杯风标式风速风向仪和新型的激光测风雷达。与传统的风杯风标式风速风向仪相比，新型的激光测风雷达不仅具有测试精度高、响应速度快的特点，还可实现对风速风向的非接触遥测，便于避开风机桨叶的干扰，同时激光测风雷达波长较短，探测光可被空气中的粉尘、气溶胶等粒子反射，更适用于晴空条件下的高精度实时风速风向测量，因此，新型的激光测风雷达已得到广泛应用。
现有的激光测风雷达按照工作机制可分为脉冲式和连续波两类。由于与脉冲式激光测风雷达相比，连续波激光测风雷达具有测试精度高、测试盲区小、成本低以及稳定性好等诸多优点，因此，其已成为目前风力发电机前方风速风向的实时检测的主要技术手段。
但是目前连续光激光雷达存在以下问题：
1.系统结构复杂，一般需采用光学外差干涉方式实现，光路至少需要参考光路和探测光路，如果需进一步对风速矢量多方向测量，光路更加复杂，成本较高。
2.光路元器件众多，即使采用镀膜工艺，楔角设计或倾斜安装等，不可避免带来额外损耗。
3.激光器光源是测风系统的主要成本来源。由于测风系统对多普勒频移的提取精度与散射光线宽密切相关，因此一般需窄线宽的激光器光源，大幅提高了相关成本。
4.由于风场中风际线采用非定点测量的机制，因此需要存在大量机械运动(扫描)元件，系统可靠性差。
技术实现要素：
针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于外界反馈光反馈回激光器谐振腔内形成的激光自混合效应，利用偏振分光同时检测方式或者偏振分时检测方式进行检测的连续波激光矢量测风方法及基于该方法的测风雷达。
为实现以上技术目的，本发明的一个技术方案是：
一种基于偏振效应和自混合效应的激光矢量测风方法，具体步骤包括：
a.激光器出射激光经偏振片形成线偏振光；
b.线偏振光经偏振分束器形成偏振方向互相正交的两束线偏振光，两束线偏振光的偏振方向与线偏振光的偏振方向之间的夹角均为45度；
c.两束线偏振光分别经两个输出光路同时投射到同一待测均匀风场中后返回，所述两束线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度；
d.返回的携带有两个矢量方向的风速信息的两束线偏振光合束后反馈回激光器谐振腔内形成激光自混合信号，所述激光自混合信号包含有在不同偏振方向形成的激光自混合信号分量；
e.探测激光自混合信号并对其分析处理得出两个矢量方向上的风速信息，然后再对两个矢量方向上的风速信息进行合成，即可得出实际的风速信息和风向信息。
作为改进，所述步骤c中两个输出光路上均设有扩束望远系统。
基于上述测风方法的测风雷达，包括激光器、偏振片、偏振分束器、第一分束器、第二分束器、第一探测器、第二探测器和数据处理单元，所述激光器出射激光，所述激光经偏振片形成初始线偏振光，所述初始线偏振光经偏振分束器分成第一线偏振光和第二线偏振光，所述第一线偏振光的偏振方向与第二线偏振光的偏振方向互相正交且两者与初始线偏振光的偏振方向之间的夹角均为45度，所述第一线偏振光和第二线偏振光投射到待测均匀风场中后返回，所述第一线偏振光的投射方向与第二线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度，返回的第一线偏振光和第二线偏振光沿原路反馈回激光器谐振腔内形成激光自混合信号，所述激光自混合信号包含有第一线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量和第二线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量，第一线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量和第二线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量分别经第一分束器和第二分束器反馈到第一探测器和第二探测器中，第一探测器和第二探测器分别将自己接收到的激光自混合信号分量转换成电信号后输出，数据处理单元对输出的两组电信号分别进行处理分析得出两个矢量方向的风速信息，然后再对两个矢量方向的风速信息进行合成即可得到实际的风速和风向信息。
作为改进，所述第一线偏振光和第二线偏振光分别通过第一扩束望远系统和第二扩束望远系统投射到待测均匀风场中。
作为优选，所述第一扩束望远系统和第二扩束望远系统均为反射式扩束望远系统或者透射式扩束望远系统。
作为优选，所述偏振分束器采用布鲁斯特窗口片或者沃拉斯顿棱镜。
作为优选，所述激光器为半导体激光器、光纤激光器、固体激光器或者气体激光器。
为实现以上技术目的，本发明的另一个技术方案是：
一种基于偏振效应和自混合效应的激光矢量测风方法，具体步骤包括：
a.激光器出射激光经偏振片形成初始线偏振光；
b.初始线偏振光进入延时装置，通过控制延时装置的延时量使得线偏振光的偏振方向交替出现0度偏转或者90度偏转；
c.偏振方向交替改变的线偏振光经偏振分束器分成偏振方向0度偏转的线偏振光和偏振方向90度偏转的线偏振光，两束线偏振光分别经两个输出光路同时投射到同一待测均匀风场中后返回，所述两束线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度；
d.返回的携带有两个矢量方向的风速信息的两束线偏振光合束后反馈回激光器谐振腔内形成激光自混合信号，所述激光自混合信号包含有在不同偏振方向形成的激光自混合信号分量；
e.探测激光自混合信号并对其分析处理得出两个矢量方向上的风速信息，然后再对两个矢量方向上的风速信息进行合成，即可得出实际的风速信息和风向信息。
作为改进，所述步骤c中两个输出光路上均设有扩束望远系统。
基于上述测风方法的测风雷达,包括激光器、偏振片、电控延时器、偏振分束器、探测器和数据处理单元，所述激光器出射激光，所述激光经偏振片形成初始线偏振光，所述初始线偏振光经电控延时器形成偏振方向分时出现0度偏转和90度偏转的偏转线偏振光，偏转线偏振光经偏振分束器分成偏振方向0度偏转的第一线偏振光和偏振方向90度偏转的第二线偏振光，所述第一线偏振光和第二线偏振光投射到待测均匀风场中后返回，所述第一线偏振光的投射方向与第二线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度，返回的第一线偏振光和第二线偏振光沿原路反馈回激光器谐振腔内形成激光自混合信号，所述激光自混合信号包含有第一线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量和第二线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量且这两种信号分量分时出现，探测器接收激光自混合信号并将其转换成电信号输出，数据处理单元对输出的电信号进行处理分析得出两个矢量方向的风速信息，然后再对两个矢量方向的风速信息进行合成即可得到实际的风速和风向信息。
作为改进，所述第一线偏振光和第二线偏振光分别通过第一扩束望远系统和第二扩束望远系统投射到待测均匀风场中。
作为优选，所述第一扩束望远系统和第二扩束望远系统均为反射式扩束望远系统或者透射式扩束望远系统。
作为优选，所述偏振分束器采用布鲁斯特窗口片或者沃拉斯顿棱镜。
作为优选，所述激光器为半导体激光器、光纤激光器、固体激光器或者气体激光器。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明所述的测风雷达只需单一光路，大大简化了整个系统体积、复杂度和成本，提高系统的收集光效率。
2.本发明所述的测风雷达采用全光学元件，无任何机械运动元件，大幅度提高了测风系统的稳定性、可靠性和鲁棒性。
3.由于反馈光返回激光器腔内时，会改变激光器稳态条件，可进一步压缩激光器线宽，同时激光自混合效应相关距离理论上不受激光器线宽影响，因此偏振反馈激光自混合测风系统对激光器光源线宽要求大大降低，不同类型激光器光源均可实现高精度测风。
附图说明
图1是本发明矢量测量原理示意图；
图2是三镜腔理论模型示意图；
图3是风速合成示意图；
图4是本发明实施例1的结构示意图；
图5是本发明实施例1的激光传输方向和激光偏振方向的示意图；
图6是本发明实施例2的结构示意图；
图7是本发明实施例2的激光传输方向和激光偏振方向的示意图。
具体实施方式
本发明基于激光多普勒测速原理，但由于激光多普勒信号只能测量光束方向的速度，即将其应用在测量风速的场合时只能测量光束方向的风速，无法直接获得风向数据。因此，本发明拟采用一种矢量测量的方法对风速和风向进行测量，下面结合图1对采用的矢量测量方法进行说明。
如图1所示，为基于矢量测量方法的风速合成示意图。该矢量测量方法，先探测两个矢量方向上的风速分量，再对探测到的两个分量进行合成，从而获得实际的风速和风向。
基于上述矢量测量方法，本发明结合激光偏振效应、激光自混合效应对风向进行测量，具体测量原理为：
(1)基于激光偏振效应，利用不同偏振态的激光分别对不同矢量方向上的风速分量进行测量；
(2)基于激光的自混合效应利用激光对每个矢量方向上的风速分量进行测量，其方法为：将激光投射到待测风场中，投射到待测风场中的气溶胶粒子上的激光形成后向散射并返回，返回激光反馈回激光器谐振腔内形成激光自混合信号，通过对激光自混合信号进行功率分析，即可得到气溶胶粒子的后向散射信息从而获得气溶胶粒子的移动信息，通过气溶胶粒子的移动信息即可分析出风速信息；
(3)最后基于矢量测量方法，将两个矢量方向上测得的风速分量进行合成即可得到实际的风速和风向信息。
基于上述测量原理，建立理论模型进行理论推导，以论证本发明的可行性。具体推导过程如下：
如图2所示，三镜腔理论模型中，将激光器内部等效成一个由前后两端面m1、m2组成的腔结构，反射系数分别为r1、r2，输出激光由外部大气气溶胶颗粒后向散射回激光腔内，其中，大气气溶胶等效成外部反射面m3，由于大气对激光的吸收、散射等都会导致激光能量的衰减，最终返回激光器的信号大功率可表示为：
p＝p0ηoηt[t(r)]2(cβ/2)(ar/r2)式(1)
式(1)中，p0为激光初始出射功率，ηo为光学系统(含扩束、准直系统等)的透过效率，ηt为激光束通过光学系统的截断损失(插入损耗)，
ar＝πd2/4为扩束望远系统的接收截面，d为扩束望远系统的；β为气溶胶的后向散射系数；t(r)为传输距离为r处的大气透过率。
均匀大气的条件下，大气透过率遵从比尔-朗伯定律，可表示为：
式(2)中，α(r)是任意距离r处的大气消光系数，包含大气分子和气溶胶两方面影响。三镜腔理论中的外部反射率r3
r3＝ηoηt[t(r)]2(cβ/2)(ar/r2)式(3)
根据激光稳态条件，因此相位φ(v)偏离量δφ(v)的值应等于0，即：
其中α是激光器的线宽展宽因子，v0，v分别是无反馈光时和有反馈光时激光器的激光频率，ξ表示反馈光对激光器内腔的耦合系数，且有
根据激光器的输出功率与激光器的增益和频率的关系可得激光器输出功率表达式如下：
p＝p0[1+m×cos(φext)]式(5)
其中，φext(＝4πvr/c)是往返腔镜m2-m3的相位，m为调制系数。
在实际测量中，速度与自混合信号频移量δf关系式如下：
在本系统中，由p光和s光(p光和s光为互相正交的不同偏振方向的激光分量)分别测得两个不同方向的风速分别为
如图3所示，则实际风速可表示为：
θ为p光和s光之间夹角。由几何关系可得出vcosα-vpcosθ＝vs，则实际风向与s光夹角α可表示为：
由于同一束激光的偏振态控制方法可以采用同时不同偏振态控制或者分时不同偏振态控制两种方式，因此基于上述理论基础可以形成如下两种测风方法。
第一种测风方法为：
一种基于偏振效应和自混合效应的激光矢量测风方法，具体步骤包括：
a.激光器出射激光经偏振片形成线偏振光；
b.线偏振光经偏振分束器形成偏振方向互相正交的两束线偏振光，两束线偏振光的偏振方向与线偏振光的偏振方向之间的夹角均为45度；
c.两束线偏振光分别经两个输出光路同时投射到同一待测均匀风场中后返回，所述两束线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度；
d.返回的携带有两个矢量方向的风速信息的两束线偏振光合束后反馈回激光器谐振腔内形成激光自混合信号，所述激光自混合信号包含有在不同偏振方向形成的激光自混合信号分量；
e.探测激光自混合信号并对其分析处理得出两个矢量方向上的风速信息，然后再对两个矢量方向上的风速信息进行合成，即可得出实际的风速信息和风向信息。
其中，步骤c中的两个输出光路上还可以增设扩束望远系统，使得线偏振光投射到风场前进行扩束，以增加光束的覆盖角度，从而获得足够多的气溶胶粒子后向散射信息。
本方法中利用偏振分束器在同一时段内将线偏振光分为两种不同偏振态的线偏振光，两种不同偏振态的线偏振光沿不同的输出光路输出，从而实现对两个矢量方向上的风速进行测量。
第二种测风方法为：
一种基于偏振效应和自混合效应的激光矢量测风方法，具体步骤包括：
a.激光器出射激光经偏振片形成初始线偏振光；
b.初始线偏振光进入延时装置，通过控制延时装置的延时量使得线偏振光的偏振方向交替出现0度偏转或者90度偏转；
c.偏振方向交替改变的线偏振光经偏振分束器分成偏振方向0度偏转的线偏振光和偏振方向90度偏转的线偏振光，两束线偏振光分别经两个输出光路同时投射到同一待测均匀风场中后返回，所述两束线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度；
d.返回的携带有两个矢量方向的风速信息的两束线偏振光合束后反馈回激光器谐振腔内形成激光自混合信号，所述激光自混合信号包含有在不同偏振方向形成的激光自混合信号分量；
e.探测激光自混合信号并对其分析处理得出两个矢量方向上的风速信息，然后再对两个矢量方向上的风速信息进行合成，即可得出实际的风速信息和风向信息。
其中，步骤c中的两个输出光路上还可以增设扩束望远系统，使得线偏振光投射到风场前进行扩束，以增加光束的覆盖角度，从而获得足够多的气溶胶粒子后向散射信息。
本方法中利用延时装置使得线偏振光在不同时段内的偏振方向不同即产生偏振态分时变化的线偏振光，偏振态分时变化的线偏振光经过偏振分束器后，不同偏振态的线偏振光分别通过不同的输出光路输出，从而实现对两个矢量方向上的风速进行测量。
下面结合图4和图5，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图4所示，一种基于偏振效应和自混合效应的激光矢量测风雷达，包括激光器、偏振片、偏振分束器、第一分束器、第二分束器、第一探测器、第二探测器和数据处理单元；
激光器出射的激光经偏振片形成初始线偏振光，初始线偏振光再经偏振分束器分成第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光的偏振方向与第二线偏振光的偏振方向互相正交且两者与初始线偏振光的偏振方向之间的夹角均为45度，第一线偏振光和第二线偏振光投射到待测均匀风场中后返回，第一线偏振光的投射方向与第二线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度，返回的分别携带有两个矢量方向风速信号的第一线偏振光和第二线偏振光沿原路反馈回激光器谐振腔内形成激光自混合信号，此时的激光自混合信号包含有第一线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量和第二线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量，第一线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量和第二线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量分别经第一分束器和第二分束器分别反馈到第一探测器和第二探测器中，第一探测器和第二探测器分别将自己接收到的激光自混合信号分量转换成电信号后输出，数据处理单元对输出的两组电信号分别进行处理分析得出两个矢量方向的风速信息，然后再对两个矢量方向的风速信息进行合成即可得到实际的风速和风向信息；
进一步地，为了提高投向风场中的光束覆盖角度(即提高测量覆盖角度)，在第一线偏振光和第二线偏振光的输出光路上最好分别设置第一扩束望远系统和第二扩束望远系统，利用第一扩束望远系统和第二扩束望远系统对第一线偏振光和第二线偏振光进行扩束，此时，第一分束器和第二分束器最好分别设置在所述偏振分束器分别与第一扩束望远系统和第二扩束望远系统形成的两个光路上。
本实施例中：
(1)第一线偏振光的投射方向与第二线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度可以通过设置第一线偏振光的投射光路和第二线偏振光的投射光路实现。例如：a.如图4所示，可以将第一线偏振光的投射光路(偏振分束器——第一分束器——第一扩束望远系统的光路)与第二线偏振光的投射光路(偏振分束器——第二分束器——第二扩束望远系统的光路)之间的夹角设置为小于90度；b.也可以将第一线偏振光的投射光路(偏振分束器——第一分束器——第一扩束望远系统的光路)与第二线偏振光的投射光路(偏振分束器——第二分束器——第二扩束望远系统的光路)之间的夹角设置为大于90度，然后再在第一扩束望远系统和第二扩束望远系统后续的光路上分别设置一个反射器，通过两个反射器将两束线偏振光反射到风场中，从而保证第一线偏振光的投射方向与第二线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度。
(2)偏振分束器可以采用布鲁斯特窗口片或者沃拉斯顿棱镜，也可以采用偏振分束镜或者方解石光束偏移器，采用后者的两种时需要结合反射光路使用。
(3)第一扩束望远系统和第二扩束望远系统均可以采用反射式扩束望远系统(如牛顿型望远系统、格里高利型望远系统、卡塞格林型望远系统等)或者透射式扩束望远系统(开普勒型望远系统、伽利略型望远系统等)，图2中第一扩束望远系统和第二扩束望远系统均采用的是伽利略型望远系统。
(4)激光光源可以采用半导体激光器、光纤激光器、固体激光器或者气体激光器等多种类型的激光器。
(5)数据处理单元至少包括数据采集部分(采集由两个矢量方向上的光信号转换成的电信号，即两路电信号)和数据处理部分(对两路电信号分别进行处理分析后，再将分析结果根据矢量原理合成)。
如图5所示，为实施例1的激光传输方向和激光偏振方向的示意图，图中光路上的箭头表示激光传输方向，实线代表出射光的传输方向，虚线代表返回光的传输方向，圆圈内的箭头表示相应光路上的光偏振方向。
下面结合图6和图7，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图6所示，一种基于偏振效应和自混合效应的激光矢量测风雷达包括激光器、偏振片、电控延时器、偏振分束器、探测器和数据处理单元，所述激光器出射激光，所述激光经偏振片形成初始线偏振光，所述初始线偏振光经电控延时器形成偏振方向分时出现0度偏转和90度偏转的偏转线偏振光，偏转线偏振光经偏振分束器分成偏振方向0度偏转的第一线偏振光和偏振方向90度偏转的第二线偏振光，所述第一线偏振光和第二线偏振光投射到待测均匀风场中后返回，第一线偏振光的投射方向与第二线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度，返回的第一线偏振光和第二线偏振光沿原路反馈回激光器谐振腔内形成激光自混合信号，所述激光自混合信号包含有第一线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量和第二线偏振光偏振方向的激光自混合信号分量且这两种信号分量分时出现，探测器接收激光自混合信号并将其转换成电信号输出，数据处理单元对输出的电信号进行处理分析得出两个矢量方向的风速信息，然后再对两个矢量方向的风速信息进行合成即可得到实际的风速和风向信息。
进一步地，为了提高投向风场中的光束覆盖角度(即提高测量覆盖角度)，在第一线偏振光和第二线偏振光的输出光路上分别设置第一扩束望远系统和第二扩束望远系统，利用第一扩束望远系统和第二扩束望远系统对第一线偏振光和第二线偏振光进行扩束。
本实施例中：
(1)可以通过设置电控延时器的延迟量改变初始线偏振光的偏振态，即以电控方式控制延时器的延迟量在0与半波长之间切换，从而导致经过延时器输出的线偏振光的偏转方向出现0度偏转与90度偏转，由于延时器的延迟量在0与半波长之间切换，那么线偏振光的0度偏转与90度偏转分时出现，即在不同的时间区间内线偏振光的偏振方向不同。当将偏转方向分时改变的线偏振光通过偏振分束器时，不同偏振方向的线偏振光会沿不同的输出光路输出，从而实现从两个矢量方向对风场进行测量。
(2)第一线偏振光的投射方向与第二线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度可以通过设置第一线偏振光的投射光路和第二线偏振光的投射光路实现。例如：a.如图6所示，可以将第一线偏振光的投射光路(偏振分束器——第一扩束望远系统的光路)与第二线偏振光的投射光路(偏振分束器——第二扩束望远系统构成的光路)之间的夹角设置为小于90度；b.也可以将第一线偏振光的投射光路(偏振分束器——第一扩束望远系统的光路)与第二线偏振光的投射光路(偏振分束器——第二扩束望远系统的光路)之间的夹角设置为大于90度，然后再在第一扩束望远系统与第二扩束望远系统后续的光路上分别设置一个反射器，通过两个反射器将两束线偏振光反射到风场中，从而保证第一线偏振光的投射方向与第二线偏振光的投射方向之间的夹角小于90度。
(3)偏振分束器可以采用布鲁斯特窗口片或者沃拉斯顿棱镜，也可以采用偏振分束镜或者方解石光束偏移器，采用后者的两种时需要结合反射光路使用。
(4)第一扩束望远系统和第二扩束望远系统均可以采用反射式扩束望远系统(如牛顿型望远系统、格里高利型望远系统、卡塞格林型望远系统等)或者透射式扩束望远系统(开普勒型望远系统、伽利略型望远系统等)，图4中第一扩束望远系统和第二扩束望远系统均采用的是伽利略型望远系统。
(5)激光器可以采用半导体激光器、光纤激光器、固体激光器或者气体激光器等多种类型的激光器。当采用半导体激光器时，半导体激光器可以兼具探测器的功能。
(6)数据处理单元至少包括数据采集部分(采集由两个矢量方向上的光信号转换成的电信号，即两路电信号)和数据处理部分(对两路电信号分别进行处理分析后，再将分析结果根据矢量原理合成)。
如图7所示，为实施例2的激光传输方向和激光偏振方向的示意图，图中光路上的箭头表示激光传输方向，实线代表出射光的传输方向，虚线代表返回光的传输方向，圆圈内的箭头表示相应光路上的光偏振方向。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明所述的测风雷达只需单一光路，大大简化了整个系统体积、复杂度和成本，提高系统的收集光效率。
2.本发明所述的测风雷达采用全光学元件，无任何机械运动元件，大幅度提高了测风系统的稳定性、可靠性和鲁棒性。
3.由于反馈光返回激光器谐振腔内时，会改变激光器稳态条件，可进一步压缩激光器线宽，同时激光自混合效应相关距离理论上不受激光器线宽影响，因此偏振反馈激光自混合测风系统对激光器光源线宽要求大大降低，不同类型激光器光源均可实现高精度测风。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
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