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

文档序号:12457142阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种多距离分层测量风场的机舱式激光测风雷达,其特征在于,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)、多根光学天线、2×2光纤合束器(13)、平衡光电探测器(14)和信号处理电路(15);

所述窄线宽种子光源(1)的输出端与所述光纤放大器(2)的输入端连接,所述光纤放大器(2)的输出端与所述光纤分束器(3)的输入端连接,所述光纤分束器(3)的第一输出端(31)与所述声光移频器(4)的输入端连接,所述光纤分束器(3)的第二输出端(32)与所述光纤环形器(5)的第一端口(51)连接,所述声光移频器(4)的输出端与所述2×2光纤合束器(13)的第一输入端(131)连接,所述光纤环形器(5)的第三端口(53)与所述2×2光纤合束器(13)的第二输入端(132)连接,所述光纤环形器(5)的第二端口(53)与所述光开关(6)的输入端连接,所述光开关(6)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(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,所述平衡光电探测器(14)的输出端与信号处理电路(15)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(6)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。

2.根据权利要求1所述的机舱式激光测风雷达,其特征在于,所述窄线宽种子光源(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。

3.根据权利要求2所述的机舱式激光测风雷达,其特征在于,所述窄线宽种子光源(1)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。

4.根据权利要求1所述的机舱式激光测风雷达,其特征在于,所述光纤放大器(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。

5.根据权利要求1所述的机舱式激光测风雷达,其特征在于,所述声光移频器(4)的移频量为上移频不小于40MHz。

6.根据权利要求1所述的机舱式激光测风雷达,其特征在于,所述光开关(6)输出光束平均功率大于400mW。

7.一种如权利要求1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测量方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:

步骤1,所述窄线宽种子光源(1)产生的本振光通过所述光纤放大器(2)后经所述光纤分束器(3)的第一输出端(31)进入所述声光移频器(4),再进入所述2×2光纤合束器(13)的第一输入端(131);

步骤2,所述窄线宽种子光源(1)产生的信号光通过所述光纤放大器(2)后经所述光纤分束器(3)的第二输出端(32)进入所述光纤环形器(5)的第一端口(51),信号光通过所述光纤环形器(5)的第二端口(52)进入所述光开关(6),所述光开关(6)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(6)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(5)的第三端口(53)输出,同时,输出的回波信号进入所述2×2光纤合束器(13)的第二输入端(132);

步骤6,每路回波信号与本振光通过所述2×2光纤合束器(13)合束后入射到所述平衡探测器(14)上,产生外差信号,并送入所述信号处理电路(15),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(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;

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式中,Vlos1和Vlos2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(6)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(5)输出后进入所述2×2光纤合束器(13)与本振光合束入射到所述平衡探测器(14)上,产生多路外差信号,并通过所述信号处理电路(15)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。

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