运动稳定光探测和测距设备和用于本发明的风速测量领域的方法
【专利摘要】本发明关注一种用于风速测量的运动稳定LIDAR(100)，MS-LIDAR，其包括：稳定器单元(25)，其具有用于连接到激光雷达LIDAR(10)的探头端(30)和用于连接到浮动平台(80)的基部端(40)，该稳定器单元(25)配置用于将基部端(40)的运动至少部分地与探头端(30)隔离；LIDAR(10)，其以固定的方式连接至探头端(40)；运动探测器，其与探头端(40)具有固定的关系；该MS-LIDAR(100)被布置成在一个或多个远程探头体积处进行风速测量。
【专利说明】运动稳定光探测和测距设备和用于本发明的风速测量领域的方法
【技术领域】
[0001]本发明关注一种用于风速测量的运动稳定的光探测和测距设备或激光雷达(LIDAR)，以及一种利用光探测和测距系统的风速测量的方法。更具体地说，本发明涉及一种运动稳定的光探测和测距设备或激光雷达(LIDAR)和用于在如浮标的浮动平台上使用的方法。
【背景技术】
[0002]选择用于风力涡轮机放置的合适地点对于确保通过风力涡轮机产生的能量足以抵消(尤其是涡轮机海上定位时)相对高的建筑成本是重要的。在本领域中已经实现使用桅杆安装机械或声波风速计、和浮动安装的LIDAR记录海上数据。海上LIDAR系统是已知的，例如，来自W02005/008284。LIDAR系统通过测量施加至从天然气溶胶(例如，灰尘、花粉、水滴等)散射的激光的多普勒频移提供风速数据。在Vaughan和Forrester的在WindEngineering第13卷第I期，1989, ppl-15,尤其是第8部分中，描述了基于CO2的激光的LIDAR系统的示例。最近，已经研发出在Karlsson等人在2000年7月20日的AppliedOptics第39卷第21期中所描述的这款较低成本的基于光纤的LIDAR装置。
[0003]LIDAR系统测量被施加至在特定远程探头体积内所反射的辐射的多普勒频移，并且因此可以仅获得在平行于该发射/返回的激光束的方向上的风速数据。本领域中的一个问题是如何获得更精确的测量。可移动式LIDAR系统能够承受导致读数失真的运动。海上LIDAR，例如，可以部分地依赖于海浪的自然运动以取得测量体积，然而，这种体积在某些天气条件可以被放大，这降低了测量的精确度。另一个问题是LIDAR本身的运动可能导致虚假读数。此外，浮动LIDAR的不稳定运动可能导致进一步不准确，而且可能无法完全充分地扫描体积。在本领域中的一个问题是如何准确地测量风速仍然考虑Iidar本身的任何运动。
【发明内容】
[0004]本发明的一个实施例涉及一种用于风速测量的运动稳定化的光探测和测距设备
(100)，MS-LIDAR，其包括:
[0005]稳定器单元(25)，具有用于连接到光探测和测距设备LIDAR(IO)的探头端(30)和用于连接到浮动平台(80)的基部端(40)，该稳定器单元(25)配置用于将基部端(40)的运动至少部分地与探头端(30)隔离；
[0006]LIDAR(IO)，其以固定的方式连接至探头端(40)；
[0007]运动探测器，其与探头端(40)具有固定的方式；
[0008]该MS-LIDAR(IOO)被布置成在一个或多个远程探头体积处进行风速测量。
[0009]所述稳定器装置(25)可被布置成将基部端(40)的俯仰(pitch)、侧滚(roll)和摇摆或横摆(yaw)运动中的一个或多个至少部分地与探头端(30)隔离。[0010]所述运动探测器(50)可被布置成测量探头端(30)的俯仰、侧滚和摇摆或横摆运动中的一个或多个。
[0011 ] 所述远程探头体积可相对于基部端部(40)处于未知位置。
[0012]所述LIDAR(IO)可以是脉冲波LIDAR和可选地是扫描LIDAR。
[0013]所述稳定器单元(25)可包括平衡环机构或常平环机构。
[0014]MS-LIDAR (100)可进一步设有处理器(60)，所述处理器(60)被配置成利用从运动探测器(50)获得的数据计算在一个或多个远程探头体积处的风速和探头体积相对于空间中固定点的位置。
[0015]所述处理器被配置成利用被应用至从LIDAR(IO)和运动探测器(50)获得的数据的校正方法计算风速测量结果。
[0016]所述校正方法可包括以下步骤:
[0017]-从所述运动探测器(50)获得关于探头端(30)的旋转和可选地平移运动的信息；
[0018]-以规则的时间间隔由运动探测器信息计算变换矩阵以计算探头端(30)的位置，其中时间间隔由探头端(30)的最大角度旋转运动确定；
[0019]-从变换矩阵获得探头端(30)的移动轨迹；
[0020]-校正探头端(30)的移动轨迹的通过LIDAR获得的风速测量结果。
[0021]以规则的时间间隔计算所述变换矩阵，使得通过运动探测器在探头端(30)处探测到的最大角度摇摆或横摆运动在侧滚、俯仰和摇摆或横摆中的任一个不超过I度，或者其中每秒计算所述变换矩阵2至9次。
[0022]所述校正方法可以包括:
[0023]-获得用于多个测量视线(15、15’-图8)的风速测量结果，其中一个测量视线包括沿着测量风速的视线的不同测量高度(LoSHl’、LoSH2’、LoSH3’、LoSH4’、LoSH5’)处的多个远程探头体积；
[0024]-通过插值法生成用于所述测量视线(15’)的两个或多个所述远程探头体积之间的风速数据；
[0025]-从插值风速数据和来自运动探测器(50)的数据计算风速，作为所述多个测量视线(15，15’)的至少两个的大气层高度的函数。
[0026]所述处理器还被配置成利用至少三个不同视线束方向计算在三维笛卡尔坐标系中的风速矢量。
[0027]所述MS-LIDAR(100)可以连接至浮动平台(80)。
[0028]本发明还涉及一种用于风速测量的方法，包括使用本文中所限定的MS-LIDAR (100)和 MS-LIDAR 系统(200)。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1示出本发明的运动稳定的LIDAR(MS-LIDAR)的示图，其中基部端和探头端对准。
[0030]图1a和Ib示出本发明的MS-LIDAR的示图，其中探头端保持与基部端的运动隔离的垂直对准。[0031]图2示出设置有处理器和数据传输系统的MS-LIDAR的示意图。
[0032]图3示出本发明的MS-LIDAR的示例，其中稳定器单元包括具有其中旋转轴线正交的一对平衡环的平衡环机构或常平环机构。
[0033]图4示出本发明的MS-LIDAR系统的示例。
[0034]图5是用于获取沿着视线的风速的部分处理步骤的示意图。
[0035]图6a示出平移运动是静态的MS-LIDAR的示意图。
[0036]图6b示出经历平移运动的MS-LIDAR的示意图。
[0037]图7示出MS-LIDAR的探头端和LIDAR的侧滚、俯仰和摇摆或横摆运动。
[0038]图8是在大气中测量高度下的LIDAR取向运动的效果的示意图。
【具体实施方式】
[0039]在描述本发明的本系统和方法之前，要理解本发明不限于所描述的具体装置、系统和方法或组合，因为这种装置、系统和方法及组合当然可以变化。也要理解本文所用的术语并不旨在进行限制，因为本发明的范围将仅由所附权利要求来限定。
[0040]如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括单数和复数对象，除非上下文另有明确规定。
[0041]如本文所用的术语“包含”、“包括”和“具有”与“包含”、“包括”或“含有”、“包含”是同义词，并且是包含性的或开放式的，并且不排除附加的、未描述的构件、元件或方法步骤。将要理解的是，在此使用的术语“包括”、“包含”和“含有”包括术语“由...组成”、“组成”和“由...构成”。
[0042]由端点表述的数值范围包括被归类在各自范围内的所有数字和分数、以及所表述的端点。
[0043]当涉及诸如参数、量、时间的持续时间等的可测量值时本文中所用的术语“约”或“大约”表示包括从具体值的+/-10%或更少、优选地+/-5%或更少、更优选地+/-1%或更少，并且还更优选地+/-0.1%或更少的变化，到目前为止这种变化适于应用到所公开的发明中。要理解的是，修饰语“约”或“大约”所涉及的值也是具体地、并且优选地为所公开的本身。
[0044]然而，术语“一个或多个”或“至少一个”，例如一组构件的一个或多个或至少一个构件，本身通过进一步的范例是清楚的，术语包括等涉及所述构件中的任一个或者所述构件中的任两个或更多，诸如例如所述构件的任意> =3，> = 4，> = 5，> = 6or> = 7,直到所有所述构件。
[0045]本说明书中列举的所有参考文献通过参考的方式以它们的整体并入。特别地，本文中具体涉及的所有参考文献通过参考的方式并入。
[0046]除非另有定义，本发明公开中所使用的所有术语(包括技术或者科学术语)具有本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的含义。通过进一步的指导，术语定义被包括以更好地理解本发明的教导。
[0047]在下面的段落中，更加详细地限定本发明的不同方面。如此定义的每个方面可以与任何其它一个或多个方面结合，除非明确有相反指示。所标识的任何特征可以与任何其它特征相结合。特别地，被标识为优选的或有利的任何一个或多个特征可以与被标识为优选的或有利的任何其它一个或多个特征相结合。
[0048]在本发明的此次描述中，参考形成本文中的一部分的附图，并且仅在本发明可以实现的具体实施例的图示的方式显示。附属于各个元件的插入或嵌入的参考数字仅以示例方式示例地表示这些元件，并不是用它们来限制各个元件。要理解的是，其他实施例可以在不脱离本发明的范围情况下可以被利用或进行在结构上或逻辑上的变化。因此，下面的详细说明不应被视为具有限制意义，并且本发明的范围由所附的权利要求限定。
[0049]本发明提供了一种运动稳定光探测和测距设备(MS-LIDAR)。光探测和测距设备被布置以在一个或多个远程探头体积实现风速测量。远程体积相对于空间中的固定点，例如，相对于地球，基本上保持不变；例如所测量的位置相对于地面或海床或海面。
[0050]本发明的MS-LIDAR包括具有基部端和探头端的稳定器单元。基部端被配置用于至浮动平台的连接。探头端被构造用于至光探测和测距设备的连接。稳定器单元将基部端的运动至少部分地(优选完全地)与探头端的运动隔离。稳定器单元将光探测和测距设备保持在基本垂直的位置。稳定器将基部端连接至探头端，并且包括将所述基部端的运动至少部分地，优选完全地与所述探头端的运动隔离的机构。
[0051]基部端，(也被称为“基部”、“基部部分”、或“基部构件”)，可以被配置成永久地或可拆卸地连接至浮动平台。基部端部可以包括基部板。可拆卸的连接允许MS-LIDAR被移除用于维修和修理及换入更换，从而避免停机时间。探头端(也称为“探头连接部分”，“探头连接构件”)可以被配置成永久地或可拆卸地连接至LIDAR。探头端可以包括用以容纳LIDAR的空腔或空间。可拆卸的连接允许LIDAR被移除用于维修和修理及换入更换，从而避免停机时间。
[0052]由稳定器单元及其中的稳定器隔离的运动可以是旋转的(角度的)或平移的或两者，但优选只旋转的。通常浮动平台的至少部分、优选全部的俯仰和/或侧滚运动由稳定器吸收。摇摆或横摆(jaw)(罗盘方位)运动可能会或可能不会被隔离。考虑到稳定器单元，根据本发明测量的探头体积相对于基部端以及因此浮动平台处于未知的位置。有利地，稳定器单元允许一个或多个远程探头体积相对于空间上的固定点基本保持不变，例如所测量的位置相对于地面或海床基本保持不变。因此，减少或避免了浮动平台的侧滚(roll)和俯仰(pitch)探头体积延伸至探头体积，从而提供了对风速和/或速度更精确的确定。
[0053]稳定器单元的稳定器是将基部端的运动与探头端的运动至少部分地、优选地完全地隔离的机构。稳定器可以是被动机构，如万向接头或者平衡环机构或常平环机构或球窝接头布置。平衡环机构或常平环机构可包括一对正交地布置的万向节。被动稳定器是优选的，其不会有助于总的功耗。然而，还想到，可以使用主动稳定器，例如基于陀螺稳定性，或者基于具有电气机械系统(伺服电机)的闭环反馈的电子运动传感器，其主动地将探头端保持在基本恒定的水平。
[0054]本发明的MS-LIDAR还包括光探测和测距设备仪器，配置成记录风速和/或速度测量。光探测和测距设备包括激光和光传感器。光探测和测距设备的激光沿视线(LoS)发射激光束，该视线是光束相对于光探测和测距设备的特定方向；被空气中的颗粒散射的光被反射回来，并通过在光探测和测距设备中的光传感器探测到。通过光散射颗粒沿着Los的运动所产生的多普勒效应确定风速测量结果。被返回的风速沿LoS的方向。利用未知的LoS的长度值和LoS相对于水平面的角度可以从被返回的风速中计算出(与涡轮机应用相关的)测量的水平分量。
[0055]图5描述了在固定位置的脉冲光探测和测距设备的典型测量过程。沿单一视距，通过光探测和测距设备执行多次测量，多次测量被平均化以减少噪声。通常，沿LoS发射约10000次短脉冲。脉冲的长度部分地确定测量的高度；较长的脉冲对应较高的高度。脉冲的长度可以为例如0.8微秒。可归因于脉冲并由传感器探测到的多个返回信号的每一个包括通过与LoS相切的多个平面的多普勒改性频率。时域中的每个返回信号62利用快速傅立叶变换(FFT)被转换到频域。为了获得在特定高度处的风速信息，返回信号62可以被划分成多个窗口 62a/63a,62b/63b,62c/63c,62d/63d,62e/63e,称为距门(range gate)。一个或多个，优选所有距门63a、63b、63c、63d、63e的信号被快速傅立叶转换到频域，从而获得多个频率峰值64a、64b、64c、64d、64e，每个与沿LoS的不同测量高度的光频率和强度相关。信号在快速傅立叶转换之前或之后被平均(AVG)，以获得具有改进后的信噪比65a、65b、65c、65d,65e。频域中的与闻度相关的信号中的一个或多个66a、66b、66c、66d、66e与发射光61进行比较(CMP);这两者之间的差别的指示允许计算(SPD)在高度Hl至H5处沿图示中LoS67a、67b、67c、67d、67e的风速。利用沿着LoS的测量高度和LoS相对于水平面的角度的已知值，可以确定测量的大气层高度。也可以使用LoS的长度和LoS相对于水平面的角度的已知值来计算测量的水平分量。
[0056]有利的是，MS-LIDAR可以被布置以通过在多个位置处的远程探头体积获得风速测量结果，从而可以确定真实的风速矢量。例如，在MS-LIDAR中的光探测和测距设备可方便地包括束扫描器。以这种方式，可以提供相对于MS-LIDAR的探头端的已知位置的多个远程探头体积。包括光束扫描器是有利的，但不是必需的。光束扫描器可以有利地布置成使激光束沿不同的方向扫描。多个方向也构成图案(例如圆锥)。优选地，所述扫描包括在绕着圆锥形空气容积的3个以上、优选4个不同方向上分离的光束测量。圆锥角度优选为28°C。这样做的测量有时被称为径向风速测量。通过执行不同方向上的模式化扫描，风速测量可以在一定角度范围内进行交叉或重叠，由此实现推导空间内的区域的真实的速度矢量。除了锥形以外的其它扫描模式是已知的并且可以用来确定真实的风速矢量，只要以足够精确的程度已知光探测和测距设备范围和指向(或观察)方向。根据本发明的一个方面，并没有通过稳定器单元补偿的探头端单独的运动(例如，由波浪运动引起的侧滚和俯仰)可能提供具有较低功耗的被动的光束扫描器。
[0057]有利的是，该光探测和测距设备可能是双静态的。双静态光探测和测距系统具有分离的发射和接收光学器件。单静态光探测和测距系统也是已知的并且被这样称呼，因为它们具有共同的发射和接收光学器件。双静态系统的非平行的发射和接收光束是特别有利的，因为它们可以被布置成在特定点相交，由此准确地确定远程探头体积(即空间中获取多普勒风速测量的区域)。尽管对探头体积的限制可能导致分布式目标的返回信号强度的降低，但是与单静态系统相比，通过乱真反射所产生的噪声大大降低。
[0058]优选地，光探测和测距设备是基于光纤。例如，光探测和测距设备可以是Karlsson等人在2000年7月20日第21期第39卷的应用光学器件中所描述的那种类型。与基于CO2激光的系统相比，基于光纤的光探测和测距系统是有利的，原因在于它们体积小、功耗低并且是鲁棒的。
[0059]光探测和测距设备可以是脉冲波或连续波光探测和测距设备。优选地，它是脉冲波光探测和测距设备。
[0060]有利的是，MS-LIDAR还包括运动探测器，所述运动探测器配置成监视探头端的运动，以及因此监视光探测和测距设备的运动和远程探头体积的运动。因而运动探测器允许确定每次风速测量的光探测和测距设备的远程探头体积的取向和/或绝对位置。从这一点，可以确定运动的轨迹。本文中，术语绝对位置是指空间中的相对于在空间中的固定点(例如地球上的)所限定的位置；例如所测量的位置相对于地面或海床。要理解的是，远程探头体积的相对位置被转换成绝对的远程探头体积位置的精确度将取决于运动探测器的精确度。典型地，运动探测器的精确度在角度上大约为I度而在(沿任何方向的)速度上为每秒几厘米。运动探测器优选地以固定关系安装至MS-LIDAR的探头端。
[0061]因此，本发明提供了一种MS-LIDAR，其可以给出空间中的多个绝对位置处风速的可靠数据。有利的是，在多个绝对位置处通过远程探头体积获取的风速测量允许确定在空间的既定区域中(例如，风力涡轮机的潜在位置处)真实的风速和/或速度矢量。
[0062]有利的是，运动探测器独立于基部端的运动监视探头端以及因而监视光探测和测距设备的速度，使得可以校正任何轻微的探头端速度情况下一个或多个远程探头体积获取的风速测量校正。
[0063]运动探测器可以包括多个运动传感器中的一个或多个。在运动探测中使用的运动传感器的类型将取决于探头端以及因而所连接的光探测和测距设备所采用的运动的类型，以及这种运动对正在采集的数据的影响的重要性。运动传感器的组合能够为每次测量确定光探测和测距设备探头体积的方位和/或位置。当正在记录测量时可以激活运动探测器。要理解的是，运动探测器可以设置作为单个外罩单元，或者可以被罩在多个单元中，例如，一个传感器用于一个单兀。
[0064]便利地，运动探测器可包括摇摆或横摆(jaw)(旋转)传感器。换句话说，测量罗盘方向(即该装置正在指向的方位)。这允许确定探头端以及因而光探测和测距设备的罗盘方位，并且因此允许计算风向。摇摆或横摆传感器优选地相对于MS-LIDAR的探头端固定安装。摇摆或横摆传感器可以基于罗盘传感器。
[0065]运动探测器可方便地包括侧滚传感器和/或俯仰(摇摆或横摆)传感器。例如可提供二维俯仰和侧滚传感器。当侧滚和俯仰均被测量时，传感器有时称为倾斜传感器。这使得可以确定探头端的倾斜度，以及因此确定光探测和测距设备的倾斜度，因此计算出风向。侧滚传感器和/或俯仰传感器优选地相对于MS-LIDAR的探头端固定安装。侧滚和/或俯仰传感器可以基于陀螺仪传感器。
[0066]有利的是，运动探测器可包括起伏传感器。这种传感器被用以确定测量平台的垂直速度，从而允许确定MS-LIDAR的垂直位置的任何变化。所测得的垂直速度分量也可以被用来校正所测得的风速的垂直分量。起伏传感器可以以固定方式连接至MS-LIDAR探头端或基部端。起伏可以基于加速计和/或陀螺仪传感器。
[0067]运动探测器也可以有利地包括平移(摇摆或横摆和/或颠簸或震荡)传感器。这种传感器被用以确定测量平台(沿两个维度)上的水平速度，从而允许确定MS-LIDAR位置。优选地，探测沿给定方向上的速度。所测得的水平分量还可以用以校正校正所测得的风速的水平分量。平移传感器可以以固定方式附接至MS-LIDAR探头端或基部端。摇摆或横摆或颠簸或震荡传感器可以基于加速计和/或陀螺仪传感器。[0068]还可以设置全球定位系统(GPS)监视MS-LIDAR的绝对位置。如果MS-LIDAR被限制成保持在限定的区域内，那么平移传感器通常是不必要的。例如，如果MS-LIDAR所附接的平台是系缆浮标。然而，通过目前低成本的GPS系统所提供的近似的位置信息将使得可以监测漂流平台的位置(例如，用于海洋学研究)，或仅仅是为了防止停泊故障或盗窃。全球定位系统可以固定方式附接至MS-LIDAR探头端或基部端。
[0069]根据本发明的一个具体方面，运动探测器包括陀螺仪加强姿态航向参考系统(attitude heading reference system, AHRS)。这种 AHRS 是本领域已知的，例如，如由 Xsens制造的MTi。AHRS优选包含内部低功耗信号处理器，其提供无漂移三维定向以及经校准的三维加速度、三维的转弯速率(速率陀螺仪)和三维地球磁场数据。它优选包括一个或多个，优选所有以下内容:一个或多个三维加速度传感器(即在三维取向上的3个传感器)、一个或多个三维陀螺仪传感器、一个或多个三维磁性传感器、一个或多个温度传感器、一个或多个静态压力传感器、一个或多个GPS接收器。处理器可以使用一个或多个嵌入算法和滤镜，用于对有用数据的校正、纠错和集合。如何将不同传感器整合到计算中的配置可以适应采用AHRS的环境。
[0070]本领域技术人员可以理解的是可以提供单个或多个传感器以执行上述传感器功能的所有或组合。例如，如果足够精确并且可负担的，单个绝对定位和定向传感器可以用于旋转、侧滚、起伏和位置测量。
[0071]风速的计算可能依赖于某些假设，包括水平方向一致性(用于平均束的假定)、用于测量的束间距离的恒定速度、和束测量体积内的空间变化。然而在实践中，可能存在光探测和测距设备的运动，例如，由于除了用来测量风速的多普勒效应之外，可能使风速读数失真的海上的平移和角度运动。运动不一定要用稳定器阻尼。另外地或可替代地，由于光探测和测距设备的运动带来的不同的大气层测量高度导致读数失真，尤其用于风速矢量的计算。因此，有必要校正光探测和测距设备运动情况下的风速测量，并且另外或者可替代地，用于不同的大气层测量高度。
[0072]因此，本发明提供了一种在通过运动探测器测量时校正所获得的风速测量结果以考虑探头端以及因而光探测和测距设备的任何运动校正的方法。具体地，移动的探头端以及因而光探测和测距设备的速度可以被从风速读数中减去。所述方法可替代地或附加地校正在测量之间使用插值法的大气层测量高度之差。
[0073]下面进一步详细描述光探测和测距设备运动对风速测量的影响。虽然瞬时的MS-LIDAR被运动稳定化，但是在基部端处于运动的情况下探头端有小的运动。这些可以是不能被稳定器稳定的小的角度运动和/或平移。探头端的运动被传输至LIDAR并且影响测量过程，导致测量由在特定高度处的LIDAR束的速度和沿着视线的真实风速构成的结合的风速。为了更好说明此现象，在图6a和6b中提供以下简化的示例，其考虑到探头端30的平移运动。图6a和6b示出了本发明的MS-LIDAR100，其包括稳定器装置25，稳定器装置25具有探头端30、基部端40和将基部端40连接至探头端30的稳定器20。光探测和测距设备10安装在探头端30。在图6a和6b中，稳定器单兀25在基部端背尚中立位直时保持探头端30和光探测和测距设备10的本来的垂直位置。图6a中，在探头端30是静态时测量
空气的体积92。沿着束15的LoS的测量允许计算空气中的微粒90沿着LoS的速度，并且随后用沿着束的锥角(28° )和测量长度的信息计算水平风风速现在考虑探头端30处于恒定的(不加速的)水平平移运动中，如图6b中所示。用箭头94表示此运动。沿束15的视线的测量表明沿视线LoS测得的风速f.',.)的有效增长；这随后会伴随着水平
风速矢量的增长；速度矢量的增长在图6b中是由粗黑箭头所示的。由此得出的测量
对应于空气96的被探头端30以及因而LIDAR束15的运动加大的体积；由此得出的风速矢量计算了在测量高度处真实风流动90和探头端LIDAR运动94的组合。这样，探头端的运动导致了真实风流动90测量的失真。
[0074]虽然上面描述了关于探头端的平移运动的说明，但是要理解的是，测量的失真也可能来自于探头端的角度运动。
[0075]因此，本发明的校正方法补偿了在计算真实风速时探头端的平移和/或角度运动，特别是例如水平分量或3D笛卡尔风速矢量的矢量分量。换句话说，计算机执行的校正方法可以采用从运动探测器接收到的数据以补偿风速测量结果。具体地说，可以从所测量的风速中减去一维、二维或三维的探头端的平移运动以计算真实风速。
[0076]使用来自运动探测器的输入，并使用运动方程，校正方法可以构造变换矩阵，其中对于探头端的给定位置，可以确定固定坐标系中的测量位置(3D定位)。总的变换矩阵依赖于可具有一个或多个固定分量的光探测和测距设备的几何形状，如锥角度和传感器位置。矩阵可以具有一个或多个变量，包括旋转和测量高度。可在空间中，优选在固定的坐标系统中，确定测量的位置。坐标系的示意图示于图7，其中呈现运动探测器的测量坐标系统，其位于探头端30内，并且示出可能出现的侧滚32、俯仰34和摇摆或横摆36运动所围绕的轴线。还示出的是分别在西(W)、南(S)、北(N)和东(E)处的四个分离的径向视线束位置15，15"，15"，15’ 〃， 每个用以确定分离的风速测量。
[0077]广义上的典型的变换矩阵形成呈现在公式I中，其中是参考A的坐标系B的
旋转矩阵，rli是参考B的坐标系C的旋转矩阵。这些矩阵相乘iR * 来获得参考A
的C的关系。aP和bP是将坐标系的原点与参考系相关的矢量X、y、z的转换。
[0078]
【权利要求】
1.一种用于风速测量的运动稳定光探测和测距设备(100)，1^-1^1041?，其包括: 稳定器单元(25)，其具有用于连接到激光雷达LIDAR(IO)的探头端(30)和用于连接到浮动平台(80)的基部端(40)，该稳定器单元(25)配置用于将基部端(40)的运动至少部分地与探头端(30)隔离； LIDAR(IO)，其以固定的方式连接至探头端(40)； 运动探测器，其与探头端(40)具有固定的关系； 该MS-LIDAR(100)被布置成在一个或多个远程探头体积处执行风速测量。
2.根据权利要求1所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述稳定器单元(25)被布置成将基部端(40)的俯仰、侧滚和摇摆或横摆运动中的一个或多个至少部分地与探头端(30)隔离。
3.根据权利要求1或2所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述运动探测器(50)被布置成测量探头端(30)的俯仰、侧滚和摇摆或横摆运动中的一个或多个。
4.根据权利要求1至3中任一所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述远程探头体积相对于基部端(40)处于未知位置。
5.根据权利要求1至4中任一所述的MS-LIDAR(100)，其中所述LIDAR(IO)是脉冲波LIDAR和可选地是扫描LIDAR。
6.根据权利要求1至5中任一所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述稳定器单元(25)包括平衡环机构或常平环机构。
7.根据权利要求1至6中任一所述的MS-LIDAR(100)，还设有处理器(60)，所述处理器(60)被配置成利用从运动探测器(50)获得的数据计算在一个或多个远程探头体积处的风速和探头体积相对于空间中固定点的位置。
8.根据权利要求1至7中任一所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述处理器被配置成利用被应用至从LIDAR(IO)和运动探测器(50)获得的数据的校正方法计算风速测量结果。
9.根据权利要求8所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述校正方法包括以下步骤: -从所述运动探测器(50)获得关于探头端(30)的摇摆或横摆和可选地平移运动的信息； -以规则的时间间隔由运动探测器信息计算变换矩阵以计算探头端(30)的位置，其中时间间隔由探头端(30)的最大角度摇摆或横摆运动确定； -从变换矩阵获得探头端(30)的移动轨迹； -校正探头端(30)的移动轨迹的通过LIDAR获得的风速测量结果。
10.根据权利要求9所述的MS-LIDAR(IOO)，其中以规则的时间间隔计算所述变换矩阵，使得通过运动探测器在探头端(30)处探测到的最大角度旋转运动在侧滚、俯仰和摇摆或横摆中的任一个不超过I度，或者其中每秒计算所述变换矩阵2至9次。
11.根据权利要求8所述的MS-LIDAR(100)，其中所述校正方法包括: -获得用于多个测量视线(15、15’_图8)的风速测量结果，其中一个测量视线包括沿着测量风速的视线的不同测量高度(LoSHl’、LoSH2’、LoSH3’、LoSH4’、LoSH5’)处的多个远程探头体积； -通过插值法生成用于所述测量视线(15’)的两个或多个所述远程探头体积之间的风速数据； -从插值的风速数据和来自运动探测器(50)的数据计算作为多个测量视线(15、15’)中的至少两个的大气高度的函数的风速。
12.根据权利要求8至11中任一所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述处理器还被配置成利用至少三个不同视线束方向计算在三维笛卡尔坐标系中的风速矢量。
13.一种MS-LIDAR系统(200)，包括连接至浮动平台(80)的根据权利要求1至12中任一所述的 MS-LIDAR(100)。
14.一种用于风速测量的方法，包括使用根据权利要求1至12中任一所述的MS-LIDAR (1 00)和 MS-LIDAR 系统(200)。
【文档编号】G01S17/95GK104011562SQ201180075183
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2011年11月29日 优先权日:2011年11月29日
【发明者】托马斯·达菲, 安森奈斯尔斯·斯蒂芬诺斯·基里亚齐斯, 德克·德弗里恩特, 沃纳·科普依 申请人:富丽达公司