用于测量不同高度风场的机舱式激光测风雷达的制作方法

本发明涉及雷达探测技术领域，具体涉及一种用于测量不同高度风场的机舱式激光测风雷达。

背景技术：

现有的机舱式激光测风雷达产品是通过测量其安装高度上的风场，进而实现对风力发电机前方风场信息的测量，完成风机校准需求，但由于风力发电机前方风场的非均匀性，如何实现对风力发电机前方风场不同高度的风场测量，是目前亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种用于测量不同高度风场的机舱式激光测风雷达。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

本发明提供了一种机舱式激光测风雷达，该机舱式测风雷达包括：窄线宽种子光源模块、雷达收发光学天线模块和信号接收模块。

窄线宽种子光源模块包括：输出线偏振连续激光的窄线宽种子光源、其输入端与窄线宽种子光源的输出端连接的光纤放大器，其输入端与光纤放大器的输出端连接的光纤环形器，以及，其输入端与光纤环形器的第一输出端连接的光开关；雷达收发光学天线模块与光开关的输出端连接；窄线宽种子光源输出的线偏振连续激光经光纤放大器、光纤环形器进入光开关，光开关将进入其内部的线偏振连续激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；雷达收发光学天线模块包括偶数根光学天线，偶数根光学天线与光开关的多个输出端口连接；每两根光学天线为一组，每组光学天线射出的两道测量光束以相对于水平方向成一固定的夹角的方式射出，各组光学天线射出的测量光束形成的聚焦位置到雷达收发光学天线模块的水平距离彼此相同，但各聚焦位置到地面的垂直高度不相同；信号接收模块与光纤环形器的第二输出端连接，从光纤环形器接收合束后的本振光和多普勒频移回波信号以用于信号处理模块计算聚焦位置处的风速和风向信息。

优选地，窄线宽种子光源输出1.5μm波长的线偏振连续激光，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。

优选地，窄线宽种子光源是单频窄线宽半导体激光器，或dbr/dfb光纤激光器，或带尾纤输出的固体激光器。

优选地，光纤放大器为单模光纤放大器、双包层光纤放大器或两者组合构成的多级光纤放大器。

优选地，光纤环形器为三端口光纤，光开关的输入端与光纤环形器的用作第一端口的光纤采用熔接的方式进行连接；和/或，光开关的输出光束平均功率大于400mw。

优选地，信号接收模块包括其输入端与光纤环形器的第二输出端口连接的探测器，机舱式激光测风雷达还包括与探测器连接的信号处理模块，以及与信号处理模块连接的嵌入式计算机；探测器接收合束后的本振光和多普勒频移回波信号，并输出电外差信号至信号处理模块；信号处理模块对接收到的电外差信号进行处理，得到多普勒频率；嵌入式计算机根据得到的多普勒频率计算聚焦位置处的风速和风向信息。

优选地，探测器为带光纤fc法兰的雪崩光电探测器。

优选地，信号处理模块包括去噪单元、对数信号放大器和多普勒频率计算单元；去噪单元用于去除电外差信号中的随机噪声；对数信号放大器用于对去噪后的电外差信号进行放大；多普勒频率计算单元通过多次采集放大后的电外差信号，并根据采集的电外差信号计算多普勒频率。

优选地，去除电外差信号中的随机噪声，具体为：

(1)利用小波变换对电外差信号进行j层小波分解，得到一组小波系数z＝{z1,z2…zn},n为小波系数个数；

(2)对小波系数z使用阈值进行处理，其中，阈值处理函数为：

式中，z是去噪前的小波系数，z′是去噪后的小波系数，λ1是阈值上限值，λ2是阈值下限值，且λ1、λ2满足λ1＝αλ2，0＜α＜1，m、η为调节因子，且m＞1，0＜η＜1，sgn(f)为符号函数，当f为正数时，取1，为负数时，取0；

(3)利用小波逆变换对z′进行重构，得到去噪后的电外差信号。

优选地，光开关与嵌入式计算机相连接，光开关通过嵌入式计算机输出的控制信号将进入其内部的线偏振连续激光循环往复地切换到任意输出端口输出。

有益效果：

(1)本发明的机舱式测风雷达具有光源光谱窄线宽的特点，采用灵敏度高的光学相干探测体制。

(2)本发明中的相干探测所需本振信号利用光开关输出光纤接头的端面反射光束，不同于的从种子光源或光纤放大器分出本振光的传统方案，系统所用元器件更少，结构简洁可靠。

(3)本发明具有采用对数信号放大器，可提高测量信号的动态范围的优点。测风雷达的回波信号强度与环境中气溶胶粒子浓度相关，信号强度随气溶胶粒子浓度的变化很剧烈。对数信号放大器是输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系的放大电路。它能使弱信号得到高增益放大，对于强信号则自动降低增益，避免信号饱和。

(4)本发明具有光学元器件带尾纤输出，雷达系统结构全光纤化、无机械转动部件的特点，结构简单、可靠。采用光开关而不是机械调焦切换装置切换到指向不同高度的光束，具有在不同高度上分层测量风力发电机组前方准确风速和风向的特点。

(5)本发明输出激光具有人眼安全的特点。

(6)本发明具有所有光纤元器件均为保偏器件，雷达系统输出线偏振激光的特点。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的机舱式激光测风雷达的结构图；

图2是本发明实施例中信号处理模块12的框架结构图；

图3是本发明实施例提供的机舱式激光测风雷达进行水平双光束测量的原理示意图；

图4是本发明实施例提供的机舱式激光测风雷达进行斜向下双光束测量的原理示意图；

图5是本发明实施例提供的机舱式激光侧雷达进行斜向上双光束测量的原理示意图。

附图标记：窄线宽种子光源1；光纤放大器2；光纤环形器3；光开关4；第一光学天线5；第二光学天线6；第三光学天线7；第四光学天线8；第五光学天线9；第六光学天线10；探测器11；信号处理模块12；嵌入式计算机13；去噪单元14；对数信号放大器15；多普勒频率计算单元16。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

图1示出了一种测量不同高度风场的机舱式激光测风雷达，该机舱式测风雷达包括：窄线宽种子光源1、光纤放大器2、光纤环形器3、光开关4、六根光学天线、探测器11和信号处理模块12、嵌入式计算机13。

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的输出端与光纤环形器3的输入端连接，光纤环形器3的一个输出端与光开关4的输入端连接，光纤环形器3的另一个输出端与探测器11的输入端连接，光开关4的多个输出端口分别与六根光学天线连接，探测器11的输出端与信号处理模块12连接，信号处理模块12与嵌入式计算机13连接。

图1示出的机舱式激光测风雷达中，第一光学天线5与第四光学天线8为一组，通光口径为50mm，第一光学天线5与第四光学天线6发出的光束在水平方向上，第一光学天线5与第四光学天线8发出的光束在水平方向上夹角为60°，聚焦水平距离为75米。

第二光学天线6与第五光学天线9为一组，通光口径为50mm，第二光学天线6与第五光学天线9发出的光束在水平方向上夹角为60°，发射光束相对于所在的水平面向上倾斜22°，聚焦水平距离为75米，光学天线与聚焦位置的直线距离为81米。

第三光学天线7与第六光学天线10为一组，通光口径为50mm，第三光学天线7与第六光学天线10发出的光束在水平方向上夹角为60°，发射光束相对于所在的水平面向下倾斜22°，聚焦水平距离为75米，光学天线与聚焦位置的直线距离为81米。

以上光束的发射角度和聚焦距离针对1mw功率的小型风力发电机组浆叶半径约30米设计，这使得机舱式激光测风雷达可以测得该风力发电机组中心和浆叶两端的风场信息。

需要说明的是，本领域技术人员能够理解上述实施例给出的第一光学天线5与第四光学天线8为一组、第二光学天线6与第五光学天线9为一组、第三光学天线7与第六光学天线10为一组仅仅是示例说明性的，根据实际需要，本领域技术人员可选择任意两根光学天线为一组，只需要保证同一组的两根光学天线相对于所在平面向上或向下倾斜相同的角度即可。本实施例中的天线数量、光学天线通光口径、聚焦距离均可根据实际需求进行改变。

优选地，窄线宽种子光源1射出的线偏振连续激光经光纤放大器2、光纤环形器后进入光开关4，光开关4将进入到其内部的线偏振连续激光切换到任意输出端口输出，并通过与该输出端口相连接的光学天线发射出去。进入到光开关内部的线偏振连续激光经光开关4与雷达收发光学天线模块的光纤接头端面产生的反射光为本振光。由测量光束射到聚焦位置后反射产生的光为多普勒频移回波信号，该多普勒频移回波信号沿发射光路返回。本振光与多普勒频移回波信号在光开关4的光纤中合束后经光纤环形器3入射到探测器11。

优选地，窄线宽种子光源输出1.5μm波长的线偏振连续激光；窄线宽种子光源是单频窄线宽半导体激光器，或dbr/dfb光纤激光器，或带尾纤输出的固体激光器，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1～100mw。

优选地，光纤放大器为单模光纤放大器、双包层光纤放大器或两者组合构成的多级光纤放大器。

优选地，光纤环形器3与光开关4之间的光纤直接熔接，且光开关4输出光束平均功率大于400mw；避免了采用连接器连接时光纤端面的反射光干扰本振光。

优选地，光开关4与嵌入式计算机13相连接，在一种可选的实施方式中，光开关4与嵌入式计算机13之间是无线连接或有线连接。光开关4通过嵌入式计算机13输出的控制信号将进入其内部的线偏振连续激光循环往复地切换到任意输出端口输出。

优选地，光开关4的所有输出光纤采用fc/pc接头，fc/pc接头的光纤端面镀1.5微米波段增透膜。在光纤放大器2输出光功率为500mw的情况下，光开关4的所有输出光纤fc/pc接头的光纤接头端面的反射光功率为20微瓦。该接头方便光纤的插入与固定。

优选地，探测器11为带光纤fc法兰的雪崩光电探测器。如可采用美国thorlabs公司型号为apd430c的铟镓砷雪崩光电探测器。

优选地，参见图2，信号处理模块12包括去噪单元14、对数信号放大器15和多普勒频率计算单元16；去噪单元14用于去除经探测器的电外差信号中的随机噪声；对数信号放大器154用于对去噪后的电外差信号进行放大；多普勒频率计算单元16通过多次采集放大后的电外差信号，并根据采集的电外差信号计算多普勒频率。

优选地，去除经探测器11的电外差信号中的随机噪声，具体为：

(1)利用小波变换对电外差信号进行j层小波分解，得到一组小波系数z＝{z1,z2…za},a为小波系数个数；

(2)对小波系数z使用阈值进行处理，其中，阈值处理函数为：

式中，z是去噪前的小波系数，z′是去噪后的小波系数，λ1是阈值上限值，λ2是阈值下限值，且λ1、λ2满足λ1＝αλ2，0＜α＜1，m、η为调节因子，且m＞1，0＜η＜1，sgn(f)为符号函数，当f为正数时，取1，为负数时，取0；

(3)利用小波逆变换对z′进行重构，得到去噪后的电外差信号。

有益效果：利用阈值处理函数处理含有噪声的电外差信号，可以有效的对含有噪声的电外差信号进行过滤；根据λ1、λ2和小波系数z的绝对值差，选择不同的阈值函数处理小波系数，能够自适应地去除电外差信号中的噪声，保留电外差信号的有效信息；由于大气环境的干扰，使得采集的电外差信号存在各种噪声，而通过调整调节因子m的大小，可调节阈值处理函数的波形，使得能够最大限度地去除电外差信号中的噪声，便于后续对风速和风向信息的准确测量。

优选地，上述实施方式中，第j层的小波系数的阈值下限值可利用下式计算得到：

式中，λ2,j是第j层小波系数的阈值下限值，j为小波变换的分解层数，且j＝1,2,…,j,…,j，σa为a个小波系数的估计方差，a为小波系数个数，σj为第j层小波系数的估计方差，cj为第j层小波系数的个数，σr,j为无噪声信号r在第j层的估计方差，k1、k2、k3为权重因子，且满足k1+k2+k3＝1。

有益效果：利用上述算法分别计算不同分解层的阈值下限值，进而将得到各个分解层的阈值下限值代入阈值处理函数中，完成对电外差信号的去噪处理，该过程实现了对阈值下限值和阈值上限值的自适应调节，能够根据小波变换各个分解层的实际情况选用不同的阈值下限值和阈值下限值完成对电外差信号的去噪过程，避免了设定固定阈值带来的噪声小波系数被保留下来，而使得去噪后的电外差信号中依然存在大量噪声，同时也避免了将有用的小波系数当成噪声信息，而使得去噪后的电外差信号太过平滑，提高了去噪的准确度。

优选地，对数信号放大器14可采用美国analogmodules公司型号为model384的对数信号放大器。

光开关4输出光束平均功率大于400mw。光开关4的输出端按照第一光学天线5、第四光学天线8、第二光学天线6、第五光学天线9、第三光学天线7、第六光学天线10的顺序依次切换并循环往复。

本发明实施例中提供的机舱式激光测风雷达的工作原理是：小功率输出的窄线宽种子光源1通过光纤放大器2放大，然后光纤环形器3一端口入射，经二端口出射，然后通过光开关4切换光束方向后经不同的光学天线发射出去。系统共有6个光学天线，每两个光学天线为一组，每组天线向前方射出两道聚焦测量光束，每组天线的测量光束指向有固定的夹角。各组天线将发射的光束聚焦到与风力发电机组相同的水平距离处。其中第一组天线水平向前方发射光束，第二组天线斜向上方发射光束，光束聚焦点达到风力发电机组桨叶高度的上沿，第三组天线斜向下方发射光束，光束聚焦点达到风力发电机组桨叶高度的下沿。由大气中的气溶胶在光束聚焦位置散射产生多普勒频移的回波信号沿发射光路返回，回波信号从光纤环形器的三端口输出。雷达以连接到光学天线的光开关4的光纤接头端面产生的反射光为雷达本振光。回波信号与本振光在光开关4的光纤中合束后入射到雪崩光电探测器11上，产生电外差信号，经去噪后，送入对数信号放大器15进行信号的放大。放大的信号输出至信号处理模块12的多普勒频率计算单元16。多普勒频率计算单元16首先将输入信号进行模数转换，然后进行傅里叶变换，计算功率谱。多普勒频率计算单元16多次采集放大信号，分别计算信号功率谱，然后进行功率谱的累加。在累加后的功率谱数据中采用找重心的方法提取多普勒频率。嵌入式计算机13根据提取的多普勒频率值计算风场信息。通过多普勒频率值与各测量光束的径向风速的大小成正比的关系，可计算出各测量光束的径向风速。径向风速指的是沿发射光束方向的风速。通过聚焦在不同高度上的两道测量光束可以得到在同一高度的两道测量光束的径向风速，利用这两道测量光束的径向风速数据，通过风场反演算法得到该高度上的风速和风向信息。

图3示出了由一组水平发射的测量光束计算聚焦位置的风速和相对风力发电机组轴线方向风向信息的测量方法，图3中，第一光学天线5发出的光束的径向风速为vlos1，第四光学天线6发出的光束的径向风速为vlos2，第一光学天线5与第四光学天线6发出的光束的夹角为60°，即图3所示的α＝60°，通过(1)-(4)式计算第一光学天线5与第四光学天线6的光束的聚焦位置的风速和风向信息，其中，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；

v1os1、vlos2、α、u、v、w之间的关系为：

由多普勒原理(即嵌入式计算机根据多普勒频率值)计算得到vlos1和vlos2，继而代入(1)、(2)、(3)、(4)式计算得到u、v、w。

图4示出了由一组斜向下发射的测量光束计算聚焦位置的风速和相对风力发电机组轴线方向风向信息的测量方法，图4中，第三光学天线7发出的光束的径向风速为vlos3，第六光学天线10发出的光束的径向风速为vlos4，β表示光束指向与水平面的夹角，vlos3、vlos4与对应的水平风速vlos3h、vlos4h满足以下关系：vlos3h＝vlos3cosβ；vlos4h＝vlos4cosβ。

由多普勒原理(即嵌入式计算机根据多普勒频率值)计算得到vlos3和vlos4，继而代入上式分别计算得到vlos3h和vlos4h，将得到的vlos3h和vlos4h代入(1)-(4)式中，即可计算得到u、v、w。

图5示出了由一组斜向上发射的测量光束计算聚焦位置的风速和相对风力发电机组轴线方向风向信息的测量方法，图5中，第二光学天线6发出的测量光束的径向风速为vlos5，第五光学天线9发出的测量光束的径向风速为vlos6，β表示测量光束指向与水平面的夹角，vlos5、vlos6与对应的水平风速vlos5h、vlos6h满足以下关系：vlos5h＝vlos5cosβ；vlos6h＝vlos6cosβ。

由多普勒原理(即嵌入式计算机根据多普勒频率值)计算得到vlos5和vlos6，继而代入上式分别计算得到vlos5h和vlos6h，将得到的vlos5h和vlos6h代入(1)-(4)式中，即可计算得到u、v、w。

有益效果：

(1)本发明的机舱式测风雷达具有光源光谱窄线宽的特点，采用灵敏度高的光学相干探测体制。

(2)本发明中的相干探测所需本振信号利用光开关输出光纤接头的端面反射光束，不同于的从种子光源或光纤放大器分出本振光的传统方案，系统所用元器件更少，结构简洁可靠。

(3)本发明具有采用对数信号放大器，可提高测量信号的动态范围的优点。测风雷达的回波光信号强度与环境中气溶胶粒子浓度相关，信号强度随气溶胶粒子浓度的变化很剧烈。对数信号放大器是输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系的放大电路。它能使弱信号得到高增益放大，对于强信号则自动降低增益，避免信号饱和。

(4)本发明具有光学元器件带尾纤输出，雷达系统结构全光纤化、无机械转动部件的特点，结构简单、可靠。采用光开关而不是机械调焦切换装置切换到指向不同高度的光束，具有在不同高度上分层测量风力发电机组前方准确风速和风向的特点。

(5)本发明输出激光具有人眼安全的特点。

(6)本发明具有所有光纤元器件均为保偏器件，雷达系统输出线偏振激光的特点。

以上技术方案利用多光学天线的不同聚焦位置，可以实现一种在不同高度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，相比与现有的机舱式激光测风雷达测量的风场信息更全面，更有利于风力发电机组的校准，可适用于智能风机制造、控制等应用领域。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，如增加光学天线数量、改变光学天线通光口径、聚焦不同距离、设置不同的天线夹角等改动，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。