多距离分层测量风场的机舱式激光测风雷达及其测量方法与流程

本发明涉及气象雷达探测技术领域，具体而言，涉及一种多距离分层测量风场的机舱式激光测风雷达及其测量方法。

背景技术：

风力发电是将风能转换电能、准确及时测出风电厂的风向和风速，让风力发电机组调整到最佳位置，是提高发电效率和减少设备磨损的关键。风电厂在测风上采用的传统测风塔测风方式所得的数据与单台风机实际面临的风向和风速存在较大偏差，使风机不能很好的调整到最佳位置，影响风电效率。为了提高发电效率，国外厂家开发了机舱式激光测风雷达。机舱式激光测风雷达控制器按照统一协议与风机涡轮机控制系统安全链接，激光测风雷达测量风力发电机组叶片前方大面积内的准确风速和风向。激光测风雷达每秒钟都会将数据传输至激光测风雷达控制器，及时向风机涡轮机控制系统发出动态检测和纠正偏航命令，以便提前校准位置获取最大风能。因此，在不增加关键部件的扭力及张力的前提下，加快了风机的反应速度，减少风机磨损，降低故障。

现有的机舱式激光测风雷达产品有法国Leosphere公司的Wind Iris，丹麦Windar Photonics公司的WindEye，英国ZephIR公司的ZephIR DM，日本MITSUBISHI ELECTRIC公司的Nacelle Lidar，法国Epsiline公司的YawAdvisorTM。WindEye采用连续激光体制，体积小、成本低，但是只能定点测量一个固定距离(80米)上的风场，不能很好的满足应用需求。

YawAdvisorTM系统测量风场的距离只有10米，应用范围小。Wind Iris采用脉冲激光体制，测量距离范围50-400米，最小距离分辨率30米。Nacelle Lidar采用脉冲激光体制，测量距离范围50-250米，最小距离分辨率25米。Wind Iris和Nacelle Lidar都能够在距离上分层，即可以同时测量多个距离上的风速和风向，但是采用的是脉冲激光器，整机体积大、成本高，一般小型风力发电机组难以承受。ZephIR DM采用连续激光体制，以电机调焦的方式实现测量距离10-300米可调，可测量10个距离上的风场，其通过连续激光器采用调节方式实现不同高度的风速风向测量，但是调焦方式使得一次完成整个风场测量耗时长，机械扫描和调焦部件使得整机可靠性差，寿命短。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种多距离分层测量风场的机舱式激光测风雷达及其测量方法，降低了雷达成本，增加了雷达风场测量能力。

本发明提供了一种多距离分层测量风场的机舱式激光测风雷达，包括：窄线宽种子光源、光纤放大器、光纤分束器、声光移频器、光纤环形器、光开关、多根光学天线、2×2光纤合束器、平衡光电探测器和信号处理电路；

所述窄线宽种子光源的输出端与所述光纤放大器的输入端连接，所述光纤放大器的输出端与所述光纤分束器的输入端连接，所述光纤分束器的第一输出端与所述声光移频器的输入端连接，所述光纤分束器的第二输出端与所述光纤环形器的第一端口连接，所述声光移频器的输出端与所述2×2光纤合束器的第一输入端连接，所述光纤环形器的第三端口与所述2×2光纤合束器的第二输入端连接，所述光纤环形器的第二端口与所述光开关的输入端连接，所述光开关的多个输出端口与多根光学天线连接，所述2×2光纤合束器的第一输出端和第二输出端与平衡光电探测器的输入端连接，所述平衡光电探测器的输出端与信号处理电路连接；

其中，

包括偶数根光学天线，一根光学天线与所述光开关的一个输出端口连接，上下对称且倾斜设置的两根天线为一组，两根天线与水平方向的夹角相等，每组天线向前方发射出两路聚焦的测量光束，多组天线将发射的测量光束聚焦到不同的固定距离。

作为本发明进一步的改进，所述窄线宽种子光源输出1.5μm波长的连续激光，光谱线宽小于200kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率为1～100mW。

作为本发明进一步的改进，所述窄线宽种子光源为单频窄线宽半导体激光器，或DBR光纤激光器，或DFB光纤激光器，或带尾纤输出的固体激光器。

作为本发明进一步的改进，所述光纤放大器为单模光纤放大器或双包层光纤放大器或两者组合构成的多级光纤放大器。

作为本发明进一步的改进，所述声光移频器的移频量为上移频不小于40MHz。

作为本发明进一步的改进，所述光开关输出光束平均功率大于400mW。

本发明还提供了一种多距离分层测量风场的机舱式激光测风雷达的测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，所述窄线宽种子光源产生的本振光通过所述光纤放大器后经所述光纤分束器的第一输出端进入所述声光移频器，再进入所述2×2光纤合束器的第一输入端；

步骤2，所述窄线宽种子光源产生的信号光通过所述光纤放大器后经所述光纤分束器的第二输出端进入所述光纤环形器的第一端口，信号光通过所述光纤环形器的第二端口进入所述光开关，所述光开关将输入信号光切换到任意输出端口输出，并通过与该输出端口对应连接的光学天线发射出去；

步骤3，所述光开关将输入信号光切换到与步骤2中对称设置的光学天线对应连接的输出端口输出，并通过该对称设置的光学天线发射出去；

步骤4，两根对称设置的天线向前方发射出两路聚焦的测量光束，

步骤5，两根光学天线反射产生的多普勒频移回波信号均沿发射光路返回，并从所述光纤环形器的第三端口输出，同时，输出的回波信号进入所述2×2光纤合束器的第二输入端；

步骤6，每路回波信号与本振光通过所述2×2光纤合束器合束后入射到所述平衡探测器上，产生外差信号，并送入所述信号处理电路，根据多普勒原理提取多普勒频率，得到每路测量光束的径向风速；

步骤7，通过式～计算得到每组聚焦光束聚焦距离平面上的风速和风向信息；

式中，V_los1和V_los2分别表示两路光束指向的径向风速，α表示光束指向与风力发电机组轴线的夹角，φ表示风向与风力发电机组轴线的夹角，W表示沿风力发电机组轴线方向的风速，U表示垂直风力发电机组轴线方向的风场分量，V表示风矢量大小；

步骤8，重复步骤3-7，所述光开关循环往复，将输入信号光依次切换到每个输出端口输出，并通过与每个输出端口对应连接的光学天线发射出去，多组天线将发射的测量光束聚焦到不同的固定距离，多路多普勒频移回波信号均沿发射光路返回，并通过所述光纤环形器输出后进入所述2×2光纤合束器与本振光合束入射到所述平衡探测器上，产生多路外差信号，并通过所述信号处理电路提取多个多普勒频率，分别得到多路测量光束的径向风速，依次计算得到多组聚焦光束不同聚焦距离平面上的风速和风向信息。

本发明的有益效果为：

1、采用的光源光谱线宽窄，同时能输出连续激光，成本低，输出的激光人眼安全；

2、激光测风雷达采用全光纤结构，无机械转动部件，结构简单、可靠；

3、光纤元器件均为保偏器件，雷达输出线偏振激光；

4、采用光学相干探测方法，灵敏度高；

5、能在不同距离上分层测量风力发电机组前方的准确风速和风向。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种多距离分层测量风场的机舱式激光测风雷达的结构示意图；

图2为采用图1所示的雷达进行双光束测量的原理示意图。

图中，

1、窄线宽种子光源；2、光纤放大器；3、光纤分束器；4、声光移频器；5、光纤环形器；6、光开关；7、第一光学天线；8、第二光学天线；9、第三光学天线；10、第四光学天线；11、第五光学天线；12、第六光学天线；13、2×2光纤合束器；14、平衡光电探测器；15、信号处理电路。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1，如图1所示，本发明实施例的一种多距离分层测量风场的机舱式激光测风雷达，包括：窄线宽种子光源1、光纤放大器2、光纤分束器3、声光移频器4、光纤环形器5、光开关6、第一光学天线7、第二光学天线8、第三光学天线9、第四光学天线10、第五光学天线11、第六光学天线12、2×2光纤合束器13、平衡光电探测器14和信号处理电路15。

窄线宽种子光源1的输出端与光纤放大器2的输入端连接，光纤放大器2的输出端与光纤分束器3的输入端连接，光纤分束器3的第一输出端31与声光移频器4的输入端连接，光纤分束器3的第二输出端32与光纤环形器5的第一端口51连接，声光移频器4的输出端与2×2光纤合束器13的第一输入端131连接，光纤环形器5的第三端口53与2×2光纤合束器13的第二输入端132连接，光纤环形器5的第二端口53与光开关6的输入端连接，光开关6的第一输出端口与第一光学天线7连接，光开关6的第二输出端口与第二光学天线8连接，光开关6的第三输出端口与第三光学天线9连接，光开关6的第四输出端口与第四光学天线10连接，光开关6的第五输出端口与第五光学天线11连接，光开关6的第六输出端口与第六光学天线12连接，2×2光纤合束器13的第一输出端133和第二输出端134与平衡光电探测器14的输入端连接，平衡光电探测器14的输出端与信号处理电路15连接。

其中，窄线宽种子光源1输出1.5μm波长的连续激光，光谱线宽小于200kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率为1～100mW。具体可采用单频窄线宽半导体激光器，或DBR光纤激光器，或DFB光纤激光器，或带尾纤输出的固体激光器。

光纤放大器2为单模光纤放大器或双包层光纤放大器或两者组合构成的多级光纤放大器。

声光移频器4的移频量为上移频不小于40MHz。

第一光学天线7与第六光学天线12为一组，通光口径25mm，第一光学天线7与第六光学天线12发出光束的夹角为60°，聚焦距离30米。

第二光学天线8与第五光学天线11为一组，通光口径50mm，第二光学天线8与第五光学天线11发出光束的夹角为60°，聚焦距离75米。

第三光学天线9与第四光学天线10为一组通光口径75mm，第三光学天线9与第六光学天线12发出光束的夹角为60°，聚焦距离120米。

光开关6输出光束平均功率大于400mW。光开关6的输出端按照第一光学天线7、第六光学天线12、第二光学天线8、第五光学天线11、第三光学天线9、第四光学天线10的顺序依次切换。

本实施例中的天线数量、光学天线通光口径、聚焦距离均可以根据实际需求进行改变。

实施例2，一种多距离分层测量风场的机舱式激光测风雷达的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，窄线宽种子光源1产生的本振光通过光纤放大器2后经光纤分束器3的第一输出端31进入声光移频器4，再进入2×2光纤合束器13的第一输入端131；

步骤2，窄线宽种子光源1产生的信号光通过光纤放大器2后经光纤分束器3的第二输出端32进入光纤环形器5的第一端口51，信号光通过光纤环形器5的第二端口52进入光开关6，光开关6将输入信号光切换到第一输出端口输出，并通过第一光学天线7发射出去；

步骤3，光开关6将输入信号光切换到第六输出端口输出，并通过第六光学天线12发射出去；

步骤4，第一光学天线7和第六光学天线12向前方发射出两路聚焦的测量光束；

步骤5，第一光学天线7和第六光学天线12反射产生的多普勒频移回波信号均沿发射光路返回，并从光纤环形器5的第三端口53输出，同时，输出的回波信号进入2×2光纤合束器13的第二输入端132；

步骤6，两路回波信号与本振光通过2×2光纤合束器13合束后入射到平衡探测器14上，产生外差信号，并送入信号处理电路15，根据多普勒原理提取多普勒频率，分别得到每路测量光束的径向风速；

步骤7，如图2所示，第一光学天线7发出光束的径向风速为V_los1，第六光学天线12发出光束的径向风速为V_los2，第一光学天线7与第六光学天线12发出光束的夹角为60°，即2α＝60°，通过式(1)～(4)计算得到每组聚焦光束聚焦距离平面上的风速和风向信息：风向与风力发电机组轴线的夹角φ，沿风力发电机组轴线方向的风速W，垂直风力发电机组轴线方向的风场分量U，风矢量大小V；

步骤8，重复步骤3-7，光开关6循环往复，将输入信号光依次切换到第二输出端口、第五输出端口、第三输出端口和第四输出端口输出，并第二光学天线8、第五光学天线11、第三光学天线9和第四光学天线10发射出去，两组天线将发射的测量光束聚焦到不同的固定距离，四路多普勒频移回波信号均沿发射光路返回，并通过光纤环形器5输出后进入2×2光纤合束器13与本振光合束入射到平衡探测器14上，产生多路外差信号，并通过信号处理电路15提取多个多普勒频率，分别得到四路测量光束的径向风速，依次计算得到多组聚焦光束不同聚焦距离平面上的风速和风向信息。

本发明小功率输出的窄线宽种子光源通过光纤放大器放大，由光纤分束器分出一束激光，通过声光移频器移频后作为雷达相干探测的本振光，其余的光束从光纤环形器一端口入射，经二端口出射，然后通过光开关切换光束方向后经不同的光学天线发射出去。共有偶数个光学天线，每两个光学天线为一组，每组天线指向有一定的夹角，水平向前方射出两道聚焦测量光束，各组天线将发射的光束聚焦到不同的固定距离。由大气中的气溶胶在光束聚焦位置散射产生而且已经发生多普勒频移的回波信号沿发射光路返回，回波信号从环形器的输出。回波信号与本振光通过2×2光纤合束器合束后入射到平衡探测器上，产生外差信号，送入信号处理电路提取多普勒频率，得到速度信息，最后通过反演算法得到风场分布。通过聚焦在不同距离上的一组光束可以得到一个聚焦距离平面上的风速和风向信息，有几组光束就得到几个不同聚焦距离平面上的风速和风向信息。

利用多光学天线的不同聚焦位置，可以实现一种在不同距离上分层测量风力发电机组前方准确风速和风向的机舱式激光测风雷达，为风力发电机组的校准提供风场信息，可适用于智能风机制造、控制等应用领域。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。