一种激光雷达关键部件寿命控制系统及方法与流程

本发明涉及光学设备控制及检测技术林业，特别涉及一种激光雷达关键部件寿命控制系统及方法。

背景技术

激光多普勒测风雷达是一种可以有效测量大气风场结构分布的光电探测设备，其主要原理是依靠对大气中的气溶胶等颗粒进行扫描，通过测量微粒运动产生的多普勒频移来确定风速。相干激光雷达由于其高距离分辨率和速度分辨率，在大气风场测量中有重要应用。由于激光测风雷达往往工作在恶劣的气象条件下，这对雷达的平稳运行以及部件的使用寿命提出了挑战。

激光光源是激光雷达中的核心组件，为了对风场分布进行精确测量，相干多普勒测风雷达对光源有严格的要求，如线性偏振输出，高功率，长相干长度(窄线宽)。近年来，主振-放大(master-oscillatorpower-amplifier，mopa)结构的全光纤激光源已经广泛应用于相干多普勒测风雷达。通常，主控振荡器是窄线宽的分布反馈式半导体激光器(distributedfeedbacklaserdiode，dfb)，功率放大器是高功率二极管模块泵浦的掺铒光纤。但这样昂贵且复杂的光源系统存在一定的隐患，即用于泵浦的激光二极管需要工作在稳定的外界条件下，并且随着使用时间的增长，激光二极管的电流-功率特性会产生劣化，一般表现为在相同的输入电流下，输出激光功率出现一定的衰减。因此，激光二极管寿命成为了激光雷达系统长时间工作的瓶颈之一。为了保证激光二极管拥有良好的工作环境，通常使用半导体制冷器(thermoelectriccooler，tec))对温度进行控制，在长时间的高负荷工作下，半导体制冷器的寿命也是需要考虑的重要因素之一。

现有的激光测风雷达系统难以根据测量环境实时调整自己的工作状态，核心组件，包括激光光源，长时间处在满负荷工作的情况下，使得激光雷达需要经常性的维护，并对核心组件进行更换，影响风机工作效率，代价十分高昂，具体的问题体现在以下方面：

1、额定的激光光源功率输出，导致能耗增加、激光光源温度升高以及显著缩减了激光光源的使用寿命；

2、无法实现在特定情况下、风机或风轮停机或转速较低情况下的智能控制切换，从而在无需风速监测时节约激光光源的使用；

3、无法实时监控激光雷达的关键部件的剩余寿命情况，经常在问题发生后才能发现，由于设备使用的地方可能比较偏僻，工作状况恶劣，从而经常导致进一步的异常关联事件产生。

本发明提出一种激光雷达关键部件寿命控制系统及方法，至少部分的解决目前常用的测风激光雷达控制系统和方法存在的上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术中测风激光雷达控制系统和方法存在的只能以额定的激光光源功率输出、无法实现在特定情况下风机或风轮停机或转速较低情况下的智能控制切换以及无法实时监控激光雷达的关键部件的剩余寿命情况等问题，根据本发明的一个实施例，提供一种激光雷达关键部件寿命控制系统，包括：

激光雷达主控单元；

驱动电路，所述驱动电路与所述激光雷达主控单元相连；

激光二极管，所述激光二极管与所述驱动电路相连；

半导体制冷器，所述半导体制冷器与所述驱动电路以及所述激光二极管相连；

光学系统，所述光学系统与所述激光二极管形成光路连接；以及

信号处理单元，所述信号处理单元与所述光学系统以及所述激光雷达主控单元相连。

在本发明的一个实施例中，所述激光雷达主控单元获取和/或接收来自所述信号处理单元的信号，并基于预设的算法向所述驱动电路发送控制指令。

在本发明的一个实施例中，所述驱动电路用于动态驱动控制所述激光二极管和或所述半导体制冷器。

在本发明的一个实施例中，所述半导体制冷器用于控制所述激光二极管的温度，使其维持在设定温度以下。

在本发明的一个实施例中，所述信号处理单元接收来自所述光学系统的本振激光信号和/或来自气溶胶的散射激光信号，经处理后发送至所述激光雷达主控单元。

在本发明的一个实施例中，还包括用于调节所述光学系统的光路、焦距、发射角的控制单元。

在本发明的一个实施例中，将所述系统配置为在正常工作状态下进行激光二极管功率调节：

所述激光雷达关键部件寿命控制系统控制所述激光二极管以最大功率发射激光束进行探测；

所述激光雷达关键部件寿命控制系统判断是否探测到稳定的风速信号；

所述激光雷达关键部件寿命控制系统根据内部存储的功率曲线调节激光二极管电流，降低光源功率；

所述激光雷达关键部件寿命控制系统判断激光信号的信噪比及回光信号强度是否在预设的阈值范围内，当所述激光信号的信噪比及回光信号强度大于预设的阈值范围，所述激光雷达关键部件寿命控制系统继续根据内部存储的功率曲线调节激光二极管电流，降低光源功率；以及

当所述激光信号的信噪比及回光信号强度进入预设的阈值范围内，所述激光雷达关键部件寿命控制系统控制所述激光二极管以该功率发射激光束。

在本发明的一个实施例中，将所述系统配置为进行激光雷达工作状态智能切换：

所述激光雷达关键部件寿命控制系统控制所述激光二极管发射激光束，激光雷达进入正常工作状态；

所述激光雷达关键部件寿命控制系统检测风机运行状态；

所述激光雷达关键部件寿命控制系统判断风轮或风机是否停机，当所述激光雷达关键部件寿命控制系统检测到风机的风轮是正常旋转且风机正常工作时，所述激光雷达关键部件寿命控制系统继续控制所述激光二极管发射激光束，激光雷达处于正常工作状态；

当所述激光雷达关键部件寿命控制系统检测到风机的风轮停止旋转或风机停机时，所述激光雷达关键部件寿命控制系统控制所述激光二极管停止发射激光束，激光雷达进入待机状态；以及

所述激光雷达关键部件寿命控制系统继续检测风机运行状态，当检测到风机的风轮是正常旋转且风机正常工作时，所述激光雷达关键部件寿命控制系统控制所述激光二极管发射激光束，激光雷达进入正常工作状态。

在本发明的一个实施例中，将该系统配置为进行激光雷达关键部件剩余寿命监测：

所述激光雷达关键部件寿命控制系统获取所述激光二极管及所述半导体制冷器的参考iv曲线和寿命预估曲线；

所述激光雷达关键部件寿命控制系统获取所述激光二极管及所述半导体制冷器的实测iv曲线；

所述激光雷达关键部件寿命控制系统基于所述激光二极管及所述半导体制冷器的实测iv曲线和所述激光二极管及所述半导体制冷器的参考iv曲线和寿命预估曲线计算获得所述激光二极管及所述半导体制冷器的预期剩余寿命。

在本发明的一个实施例中，该激光雷达关键部件寿命控制系统还包括：

所述激光雷达关键部件寿命控制系统判断所述激光二极管及所述半导体制冷器的预期剩余寿命是否低于设定的阈值；

当所述预期剩余寿命高于设定的阈值时，所述激光雷达关键部件寿命控制系统获取所述激光二极管及所述半导体制冷器的实测iv曲线，并继续基于该实测iv曲线和所述激光二极管及所述半导体制冷器的参考iv曲线和寿命预估曲线计算获得所述激光二极管及所述半导体制冷器的预期寿命；以及

当所述预期剩余寿命达到或低于设定的阈值时，所述激光雷达关键部件寿命控制系统发送预警信号。

本发明提供一种激光雷达关键部件寿命控制系统及方法，通过激光雷达控制单元、驱动电路单元以及信号处理单元等实现在正常工作时对激光光源的可控功率输出、在风机或风轮停机或转速较低情况下的实现激光雷达工作模式向待机模式智能控制切换以及实现实时监控测风激光雷达的关键部件的剩余寿命监控，且在寿命低于设定阈值后提供预警信号。从而有效的延长了风机测风雷达的使用寿命，并实现雷达关键部件的智能监控，减少了风机异常关联事件的发生。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例的一种激光雷达关键部件寿命控制系统的架构图100。

图2示出根据本发明的一个实施例的基于该激光雷达关键部件寿命控制系统100进行正常工作状态雷达激光二极管功率调节方法的流程图200。

图3示出根据本发明的一个实施例的基于该激光雷达关键部件寿命控制系统100进行激光雷达工作状态智能切换方法的流程图300。

图4示出根据本发明的一个实施例的基于该激光雷达关键部件寿命控制系统100进行激光雷达关键部件剩余寿命监测及预警方法的流程图400。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

本发明提供一种激光雷达关键部件寿命控制系统及方法，通过激光雷达控制单元、驱动电路单元以及信号处理单元等实现在正常工作时对激光光源的可控功率输出、在风机或风轮停机或转速较低情况下的实现激光雷达工作模式向待机模式智能控制切换以及实现实时监控测风激光雷达的关键部件的剩余寿命监控，且在寿命低于设定阈值后提供预警信号。从而有效的延长了风机测风雷达的使用寿命，并实现雷达关键部件的智能监控，减少了风机异常关联事件的发生。

下面结合图1来详细介绍基于本发明的一个实施例的一种激光雷达关键部件寿命控制系统的架构。图1示出根据本发明的一个实施例的一种激光雷达关键部件寿命控制系统的架构图100。如图1所示，该激光雷达关键部件寿命控制系统进一步包括：激光雷达主控单元110、驱动电路120、激光二极管130、半导体制冷器140、光学系统150以及信号处理单元170构成。

激光雷达主控单元110与驱动电路120以及信号处理单元170相连。激光雷达主控单元110可以自动接收或请求获取信号处理单元170的信号处理数据，如信噪比、回光强度、温度数据等，并基于系统算法的控制策略，向驱动电路发送控制信号，实现动态调节激光二极管130和/或半导体制冷器140的输出功率和/或输出电流等；同时，激光雷达主控单元110还可以控制光学系统150的动态参数调节，如调节光学系统150的焦距、方向角等参数；此外，激光雷达主控单元110还可以基于内置参数和算法实时计算激光雷达关键部件(如激光二极管130、半导体制冷器140等)的剩余寿命，并基于设定的阈值，对剩余寿命低于阈值的信息进行预警。

驱动电路120与激光雷达主控单元110以及激光二极管130、半导体制冷器140相连。驱动电路120从激光雷达主控单元110接收驱动控制指令，基于该指令对激光二极管130和半导体制冷器140进行动态调节驱动控制。通常通过调节对应激光二极管130和半导体制冷器140的驱动电流进行控制调节，但本领域的技术人员应该了解到，也可以通过电压调节来实现类似的动态控制。

激光二极管130作为整个激光雷达的光源，是激光雷达的关键部件。在本发明的一个具体实施例中，激光二极管为蝶形封装的分布反馈式激光二级管，其和掺铒光纤放大器一起使用产生高功率、窄线宽的高质量激光光束。激光二极管130发射的激光束通过后续的光学系统150发射到大气中，经过大气中的气溶胶160的散射后通过信号接收/检测器件接收，再经过信号处理单元170的信号处理以及激光雷达主控单元110的计算，从而获得所测大气中风速的矢量等信息。

半导体制冷器140用于保持整个光源系统工作在稳定的温度下，其工作是通过激光雷达主控单元110接收温敏/温度传感器的反馈，向驱动电路120发送半导体制冷器140的驱动控制信号，驱动电路120基于该驱动控制信号，动态调节半导体制冷器的驱动电路(或电压)，从而实现整个光源系统工作在稳定的温度下。

光学系统150用于将激光二极管130产生的激光束进行光学调节，该光学调节包括但不限于光路、焦距、发射角等。二极管130产生的激光束通过光学系统150后进入大气中的气溶胶160的散射，并被信号接收/检测器件接收，再经过信号处理单元170的信号处理以及激光雷达主控单元110的计算，从而获得所测大气中风速的矢量等信息。

气溶胶160是待测大气中的大气及微小颗粒构成，激光多普勒测风雷达主要就是依靠对大气中的气溶胶等颗粒进行扫描，通过测量微粒运动产生的多普勒频移来确定风速。

信号处理单元170接收激光二级管130的激光束信号以及经过气溶胶160散射的对应激光束信号，并对信号进行处理计算，如对接收的回波信号与系统本振光信号被送入光电探测器产生差频信号，经过信号处理单元170处理后获取的信号包括但不限于如信噪比、回光强度、温度数据等。

下面结合图2来详细描述基于本发明的该激光雷达关键部件寿命控制系统100，在激光雷达正常工作状态下，进行激光二极管(激光光源)功率调节的方法。图2示出根据本发明的一个实施例的基于该激光雷达关键部件寿命控制系统100进行正常工作状态雷达激光光源功率调节方法的流程图200。

首先，在步骤210，激光雷达主控单元110结合驱动电路120控制激光二极管130以最大功率发射激光束进行探测。在本法的一个具体实施例中，激光雷达主控单元110向驱动电路120发送以最大功率发射激光束的指令，驱动电路120基于该指令以最大功率(电流)驱动激光二极管130，同时激光雷达主控单元110结合驱动电路120控制半导体制冷器140维持激光雷达系统的温度在设定温度之下。

接下来，在步骤220，激光雷达主控单元110结合信号处理单元170判断是否探测到稳定的风速信号。当未探测到稳定的风速信号时，继续进行步骤210，即激光雷达主控单元110结合驱动电路120继续控制激光二极管130以最大功率发射激光束进行探测；当探测到稳定的风速信号后，进入步骤230。

然后，在步骤230，根据功率曲线调节激光二极管电流降低光源功率。在本发明的第一个具体实施例中，激光雷达主控单元110根据存储的功率曲线结合探测到的激光信号，调节激光二极管电流降低光源功率。

接下来，在步骤240，判断信号信噪比是否在阈值范围内。在本法的一个具体实施例中，激光雷达主控单元110比对测风信号的信噪比及回光信号强度，判断其是否在预设的可接受信噪比阈值范围内。当测风信号的信噪比及回光信号强度大于预设的信噪比阈值范围，激光雷达主控单元110继续根据存储的功率曲线结合探测到的激光信号，调节激光二极管电流降低光源功率；当测风信号的信噪比及回光信号强度进入预设的信噪比阈值范围内，进入步骤250。

最后，在步骤250，激光二极管130以该功率发射激光束。因此该激光束发射功率为正常工作状态下该激光二极管(激光光源)的最小功率。当激光雷达以最小功率输出工作时，能显著延长激光雷达的关键部件激光二极管130的寿命。同时在整个调节和工作的过程中，实时动态基于温敏传感器的反馈，调节半导体制冷器140的功率，从而维持激光雷达系统的工作温度。

下面再结合图3来详细描述基于本发明的该激光雷达关键部件寿命控制系统100，进行激光雷达工作状态智能切换的方法。图3示出根据本发明的一个实施例的基于该激光雷达关键部件寿命控制系统100进行激光雷达工作状态智能切换方法的流程图300。

首先，在步骤310，激光二极管130发射激光束，激光雷达进入正常工作状态。优选的，如上述方法所示，可以先通过如图2的流程和方法进行正常工作状态的功率调节，从而实现最小功率工作。

接下来，在步骤320，激光雷达主控单元110检测风机运行状态。

然后，在步骤330，判断风轮/风机是否停机。在本发明的一个实施例中，激光雷达主控单元110通过检测风机的风轮是否停止旋转或风机是否停机来判断风机运行状态。当检测到风机的风轮是正常旋转且风机正常工作时，继续步骤310，即激光二极管130继续发射激光束，激光雷达继续正常工作状态；当检测到风机的风轮停止旋转或风机停机时，进人步骤340。

最后，在步骤340，激光器停止发射激光束激光雷达进入待机状态。同时，激光雷达主控单元110按照步骤320的方法，继续检测风机运行状态。当检测到风机的风轮是正常旋转且风机正常工作时，继续步骤310，以此循环检测控制。

下面再结合图4来详细描述基于本发明的该激光雷达关键部件寿命控制系统100，来进行激光雷达关键部件剩余寿命监测及预警的方法。图4示出根据本发明的一个实施例的基于该激光雷达关键部件寿命控制系统100进行激光雷达关键部件剩余寿命监测及预警方法的流程图400。

首先，在步骤410，获取激光雷达主控单元110中存储的激光二极管130及半导体制冷器140的参考iv曲线和寿命预估曲线。

接下来，在步骤420，实时监测激光器的激光二极管130及半导体制冷器140的实测iv曲线。

然后，在步骤430，计算激光二极管130及半导体制冷器140的预期寿命。在本发明的一个实施例中，根据步骤420实测的激光二极管130及半导体制冷器140的实测iv曲线，以及步骤410获取的激光雷达主控单元110中存储的激光二极管130及半导体制冷器140的参考iv曲线和寿命预估曲线，计算激光二极管130及半导体制冷器140的预期剩余寿命。

接下来，在步骤440，判断激光二极管130及半导体制冷器140的预期剩余寿命是否低于设定的阈值。当预期剩余寿命高于设定的阈值时，返回步骤420继续实时监测激光器的激光二极管130及半导体制冷器140的实测iv曲线，并继续后续步骤；当预期剩余寿命达到或低于设定的阈值时，进入步骤450。

最后，在步骤450，系统发出预警信号。在本发明的一个实施例中，系统可以通过用户界面或预警代码等形式，在本地或者远程进行预警警示。用户从而可以依据警示进行及时的关键部件替换和或修复，可以避免异常关联事件的发生。

基于本发明的该种激光雷达关键部件寿命控制系统及方法，通过激光雷达控制单元、驱动电路单元以及信号处理单元等实现在正常工作时对激光光源的可控功率输出、在风机或风轮停机或转速较低情况下的实现激光雷达工作模式向待机模式智能控制切换以及实现实时监控测风激光雷达的关键部件的剩余寿命监控，且在寿命低于设定阈值后提供预警信号。从而有效的延长了风机测风雷达的使用寿命，并实现雷达关键部件的智能监控，减少了风机异常关联事件的发生。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。