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专利名称：一种机舱式测风激光雷达的流场风速测量方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410424011.6

专利申请（专利权）人：扶余吉电新能源有限公司,长春吉电能源开云优惠体育网页版入口有限公司
权利人地址：吉林省松原市扶余市三井子镇牧场村

专利发明（设计）人：赵晓龙,田宇,李磊,孙绍斌,桑镇远,：暧,李凤林,姚帅

专利摘要：本发明提出了一种机舱式测风激光雷达的流场风速测量方法，涉及激光雷达测量技术领域，利用机舱式测风激光雷达系统所测光学信号，估算目标点的轴向风速；计算插值点位置的修正风速，对所述目标点的轴向风速进行差值均匀化；基于插值点位置的修正风速，预测激光雷达测量范围以外的期望位置风速。保证了目标测量点的测量精度，能够预测任意探测范围外的流场风速。

主权利要求：
1.一种机舱式测风激光雷达的流场风速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、利用机舱式测风激光雷达系统所测光学信号，估算目标点的轴向风速；估算目标点的轴向风速v为：；
其中，fS为采样频率，NP为脉冲累积数，NS为采样点数，x为轴向距离，为归一化谱宽，为系统工作波长，机舱式测风激光雷达系统的信号与噪声的比值为S；
S2、将目标点的轴向风速进行差值均匀化，计算插值点位置的修正风速；采用插值预处理方式将多个目标点的轴向风速进行差值均匀化，将插值点与目标点间距离的倒数作为权值进行加权求和：；
式中，VX为插值点位置的修正风速，vi表示第i个目标点的轴向风速，di为第i个目标点与插值点的距离，P为幂指数，N表示目标点的总数；
S3、基于插值点位置的修正风速，预测激光雷达测量范围以外的期望位置风速；计算期望位置处风速 :；
R为插值点位置处的风场半径， 为插值点位置与期望位置之间的风阻系数， 为插值点位置的修正风速， 为插值点位置与期望位置的距离。
2.根据权利要求1所述的流场风速测量方法，其特征在于，根据中频信号与噪声的平均功率比值得到测风激光雷达系统的信号与噪声的比值S为：；
其中，E为发射脉冲能量，T为光学透过率，为气溶胶后向散射系数，为系统工作波长，为大气消光系数，D为天线直径，h为普朗克常量，B为探测器带宽，L为探测距离，f为天线焦距，S0为横向相干长度，为外差效率。
3.根据权利要求1所述的流场风速测量方法，其特征在于，步骤S1中，所述机舱式测风激光雷达系统包括回波接收模块，回波接收模块具有四分之一波片，偏振分光棱镜，二分之一波片,反射镜和平衡探测器；基于空间双偏振分集相干探测原理，将偏振匹配、初始相位差恒定的回波光与本振光在平衡探测器靶面高效拍频，进而计算信号与噪声的比值、探测距离以及轴向风速。 说明书 : 一种机舱式测风激光雷达的流场风速测量方法技术领域[0001] 本发明涉及激光雷达测量技术领域，尤其涉及一种机舱式测风激光雷达的流场风速测量方法。背景技术[0002] 目前的风力发电装置多采用风力发电机组，这种风力发电机组，大体上可分风轮、发电机和塔筒三部分，在风轮的转动下，会将风的动能转化为电能，目前风电机组的使用会配合较多的开云优惠体育网页版入口产品组合使用，保证风电机组使用的安全性。随着开云优惠体育网页版入口的不断进步，智能化是产业的风向标，风力发电机组智能化发展也是必然趋势。众所周知，风具有极强的不确定性，它是制约风电项目开展的一个重大因素，但风也是风电技术的关键，更是能量的来源。风直接影响着机组的设计成本，也威胁着机组的运行安全，所以精准测风、降低误差就显得尤为重要。[0003] 激光雷达在风电行业的应用加快了智能化的发展进程，机舱式激光雷达测风仪就是智能设备的一种，通过将激光雷达测风仪安装到风电机组的顶部，并进行固定，机舱式激光雷达测风仪的测量距离50m～400m，风速测量范围0m/s～50m/s，风速测量精度0.1m/s，风向测量精度≥0.5度，有效测量频率4Hz，从而记录各个风场的变化。机舱式激光雷达为风电机组精准测风提供了更多可能性，其可提前预知下一阶段风况，且能提前修订控制目标值、使控制器对较长时间风况进行全局寻优，并减少风机动作频率、有效降低载荷，令风机使用寿命更久。其中如何对激光雷达测风的准确性进行校验，就显得尤为重要。[0004] 但是目前市场上的机舱式激光雷达测风仪在使用时，通常采用辅助支架将机舱式激光雷达测风仪螺栓固定在风力发电机组的顶部，在此过程中，机舱式激光雷达测风仪的位置不易调节，造成机舱式激光雷达测风仪只能对单一的位置高度进行风场的测定，不利于风场测定数据的统计，增加了机舱式激光雷达测风仪使用的局限性。发明内容[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提出了一种机舱式测风激光雷达的流场风速测量方法，包括如下步骤：[0006] S1、利用机舱式测风激光雷达系统所测光学信号，估算目标点的轴向风速；[0007] S2、将目标点的轴向风速进行差值均匀化，计算插值点位置的修正风速；[0008] S3、基于插值点位置的修正风速，预测激光雷达测量范围以外的期望位置风速。[0009] 进一步地，步骤S1中，估算目标点的轴向风速v为：[0010] ；[0011] 其中，fS为采样频率，NP为脉冲累积数，NS为采样点数，x为轴向距离，为归一化谱宽，为系统工作波长，机舱式测风激光雷达系统的信号与噪声的比值为S。[0012] 进一步地，步骤S2中，采用插值预处理方式将多个目标点的轴向风速进行差值均匀化，将插值点与目标点间距离的倒数作为权值进行加权求和：[0013] ；[0014] 式中，VX为插值点位置的修正风速，vi表示第i个目标点的轴向风速，di为第i个目标点与插值点的距离，P为幂指数，N表示目标点的总数。[0015] 进一步地，步骤S3中，计算期望位置处风速 :[0016] ；[0017] R为插值点位置处的风场半径， 为插值点位置与期望位置之间的风阻系数， 为插值点位置的修正风速， 为插值点位置与期望位置的距离。[0018] 进一步地，步骤S1中，利用机舱式测风激光雷达系统所测光学信号提取回波和本振光经过四分之一波片后的相位差，获得二分之一波片光轴与水平方向的夹角，得到平衡探测器输出的两路相位相差90度的光电流，将光电流相加得到回波与本振光拍频后输出的总光电流I为：[0019] ；[0020] 其中， 为回波与本振光的相位差，为回波接收光路中二分之一波片光轴与水平方向的夹角，ELO为本振光强，Ee为回波光强。[0021] 进一步地，根据中频信号与噪声的平均功率比值得到测风激光雷达系统的信号与噪声的比值S为：[0022] ；[0023] 其中，E为发射脉冲能量，T为光学透过率，为气溶胶后向散射系数，为系统工作波长，为大气消光系数，D为天线直径，h为普朗克常量，B为探测器带宽，L为探测距离，f为天线焦距，S0为横向相干长度。[0024] 进一步地，步骤S1中，所述机舱式测风激光雷达系统包括回波接收模块，回波接收模块具有四分之一波片，偏振分光棱镜，二分之一波片,反射镜和平衡探测器；基于空间双偏振分集相干探测原理，将偏振匹配、初始相位差恒定的回波光与本振光在平衡探测器靶面高效拍频，进而计算信号与噪声的比值、探测距离以及轴向风速。[0025] 相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：[0026] 利用机舱式测风激光雷达系统所测光学信号，估算目标点的轴向风速；计算插值点位置的修正风速，对所述目标点的轴向风速进行差值均匀化；基于插值点位置的修正风速，预测激光雷达测量范围以外的期望位置风速。保证了目标测量点的测量精度，能够预测任意探测范围外的流场风速。附图说明[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0028] 图1为本发明的机舱式测风激光雷达系统结构示意图；[0029] 图2为本发明的机舱式测风激光雷达的流场风速测量方法的流程图；[0030] 图3为本发明的拟合曲线示意图。具体实施方式[0031] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。[0032] 在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。[0033] 机舱式测风激光雷达系统如图1所示，由种子光1、分束器2、声光调制器3、掺铒光纤放大器4、发射天线5、回波接收模块6、信息处理机7、综合控制机8、供电单元9和接收天线10组成。[0034] 回波接收模块包括：本振光，回波，四分之一波片，偏振分光棱镜，二分之一波片,反射镜和平衡探测器。[0035] 回波接收模块是保证系统探测灵敏度的关键部件，基于空间双偏振分集相干探测原理，将偏振匹配、初始相位差恒定的回波光与本振光在平衡探测器靶面高效拍频，进而提高系统信号与噪声的比值、探测距离以及轴向风速精度。该回波接收模块集成了偏振分光棱镜、四分之一波片、二分之一波片、平衡探测器。为了便于研究回波偏振态变化对系统性能的影响，在接收光路中加入四分之一波片，通过改变其光轴与水平方向的夹角以此模拟不同的回波偏振态。[0036] 回波与本振光的偏振匹配度决定了相干探测的外差效率，影响测风雷达系统的信号与噪声的比值、探测距离以及轴向风速精度。由于本振光在保偏光纤中传输偏振态稳定，而回波光经历复杂的大气传输后被光学系统耦合接收，受大气退偏效应影响偏振态易发生改变，所以需要分析回波的偏振态特性。[0037] 如图2所示，为本发明的机舱式测风激光雷达的流场风速测量方法的流程图，包括如下步骤：[0038] S1、利用机舱式测风激光雷达系统所测光学信号，估算目标点的轴向风速。[0039] 利用机舱式测风激光雷达系统所测光学信号得到回波和本振光经过四分之一波片后的相位差，获得二分之一波片光轴与水平方向的夹角，得到平衡探测器输出的两路相位相差90度的光电流，将光电流相加得到回波与本振光拍频后输出的总光电流I为：[0040] ；[0041] 其中， 为回波与本振光的相位差，为回波接收光路中二分之一波片光轴与水平方向的夹角，ELO为本振光强，Ee为回波光强。[0042] 在优选实施例中，回波信号处理步骤为：获得激光雷达回波信号CR，激光雷达回波信号CR的获取方法为：[0043] ；[0044] 式中，S(f)为噪声消除后信号功率谱，N(f)为背景噪声功率谱。[0045] 由于大气湍流客观存在，回波必然受到退偏作用影响。根据中频信号与噪声的平均功率比值得到测风激光雷达系统的信号与噪声的比值S为：[0046] ；[0047] 其中，E为发射脉冲能量，T为光学透过率，为气溶胶后向散射系数，为系统工作波长，为大气消光系数，D为天线直径，h为普朗克常量，B为探测器带宽，L为探测距离，f为天线焦距，S0为横向相干长度。[0048] 基于信号与噪声的比值S估算目标点的轴向风速v为：[0049] ；[0050] 其中，fS为采样频率，NP为脉冲累积数，NS为采样点数，x为轴向距离，为归一化谱宽。[0051] 在优选实施例中，回波接收模块还包括光纤合束器和信号处理电路，用于多路回波信号的探测，每路回波信号与本振光通过光纤合束器合束后入射到平衡探测器上，产生外差信号，并送入信号处理电路，根据多普勒原理提取多普勒频率，得到每路测量光束的轴向风速。外差效率表示为实际光电流与理想光电流的平方比值，外差效率 为：[0052] ；[0053] 其中，Ia为输出的实际光电流，Ii为输出的理想光电流。[0054] 在相位差恒定的情况下，外差效率随波片夹角先增大再减小并周期性变化，变化周期为 。[0055] S2、将目标点的轴向风速进行差值均匀化，计算插值点位置的修正风速。[0056] 采用插值预处理方式将上述步骤中生成的目标点的轴向风速进行差值均匀化，将插值点与目标点间距离的倒数作为权值进行加权求和，其表达式如下：[0057] ；[0058] 式中，VX为插值点位置的修正风速，vi表示第i个目标点的轴向风速，di为第i个目标点与插值点的距离，P为幂指数，控制权值的大。菪拚榛竦，N表示目标点的总数。[0059] S3、基于插值点位置的修正风速，预测激光雷达测量范围以外的期望位置风速。[0060] 由于雷达测风存在极限位置，即激光雷达不能测量超出测量范围的风速，因此本发明提出基于来流风速演化模型的风速预测方法，具体步骤如下：[0061] 判断插值点位置的修正风速是否能在时间t内到达期望位置,如下式所示:[0062] ；[0063] 式中， 为插值点位置的修正风速， 为插值点位置与期望位置的距离。[0064] 该不等式成立时,插值点位置的修正风速 不能在时间t内到达期望位置；该不等式不成立时,插值点位置的修正风速 能在时间t内到达期望位置。[0065] 当插值点位置的修正风速 能在时间t内到达期望位置时，计算激光雷达测量范围以外的期望位置处风速 :[0066] ；[0067] R为插值点位置处的风场半径， 为插值点位置与期望位置之间的风阻系数，可根据大数据获得。[0068] 在优选实施例中，根据期望位置在固定时间段内时间节点t0，t1，…，tk，…tM以及所对应的瞬时风速V00，V01，…V0k，…V0M构造拟合曲线为：[0069] P(tk)＝a0+a1tk+a2tk2+...+antkn，[0070] 使得 最。籑为时间节点的总数，k为其中第k个时间节点。[0071] 根据得到拟合曲线的未知系数a0，a1，…，an，并得到拟合曲线如图3所示；根据拟合曲线求出预测时间段的平均风速。[0072] 在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solidstatedisk，SSD))等。[0073] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

专利地区：吉林

专利申请日期：2024-04-10

专利公开日期：2024-08-09

专利公告号：CN118011429B