一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统技术方案

本发明专利技术涉及一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统，向大气空间发射连续波激光，利用光学天线的定焦特性，实现固定区域距离上的大气风场测量；连续波式激光测风雷达同样利用了激光的多普勒效应，由于激光测量时光束一直存在，使得连续波式激光测风雷达的风速测量精度和分辨率非常高，通常可达厘米每秒到毫米每秒的测速精度。连续波式激光测风雷达具有系统构建相对简单，价格相对便宜，安全性较高，测量精度高的技术优势。通过本发明专利技术，实现风机前方定点区域内的大气风场测量，为风机偏航控制、降低风机载荷、辅助风机主控及效率曲线测试等功能提供精确的数据支持，从而有效提升风电机组的效率。

A continuous wave lidar system for wind turbine

The invention relates to a wind turbine continuous wave laser coherent wind measurement radar system, which emits continuous wave laser to the atmosphere space, and realizes the measurement of the atmosphere wind field at a fixed area distance by using the fixed focus characteristic of the optical antenna; the continuous wave laser wind measurement radar also uses the Doppler effect of the laser, because the laser measurement time beam always exists, the continuous wave laser wind and thunder measurement is made The accuracy and resolution of wind speed measurement are very high, usually up to cm / s to mm / s. CW lidar has the advantages of relatively simple system construction, relatively cheap price, high security and high measurement accuracy. Through the invention, the air wind field measurement in the fixed-point area in front of the fan is realized, providing accurate data support for the functions of the fan yaw control, reducing the fan load, main control of the auxiliary fan and efficiency curve test, so as to effectively improve the efficiency of the wind turbine.

【技术实现步骤摘要】
一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统
本专利技术涉及设备预警
，更具体地说，涉及一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统。
技术介绍
随着风电机组向着大型化发展以及风电平价上网政策的实施，降本、提质、增效、安全是风电未来发展急需解决的问题。智能化风机可以实现风机对风况的智能感知，这就要求必须准确及时地测量出风机叶片前方的风场信息(即风速和风向)，并依据实时的风场信息，使风电机组的偏航变桨与主控系统进行相应动作。在风力发电领域中，如果风机的朝向和风向不在一个方向会严重影响风机对风的利用率；当大风来临时，如果不及时对风机进行保护，就有可能导致风机的损坏；风机叶片旋转时会产生不可见的尾流，这种尾流会对排布在其后面的测风产生影响。测风激光测风雷达能够对远程的三维大气风场信息进行探测，可提供风速、风向、风切变、湍流等风场的变化信息。通过采用不同的工作机制以及多普勒频移测量方式可以实现米到公里量级的风场信息测量。考虑到风电机组的独特应用条件，选择了基于外差相干探测的连续波工作机制，对风场信息进行测量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统，包括：激光器、光偏振控制器、声光移频器、环形光路装置、光学天线、混频器、探测器、放大器、AD采样器及信号处理器；耦合器包括第一耦合器、第二耦合器及第三耦合器；混频器包括第一混频器和第二混频器；环形光路装置包括第一环形光路装置和第二环形光路装置；光学天线包括第一光学天线、第二光学天线、第三光学天线和第四光学天线；其中，激光器、光偏振控制器、声光移频器及环形光路装置依序连接；光偏振控制器和声光移频器之间设置第一耦合器，声光移频器连接第二耦合器，第一环形光路装置和第二环形光路装置均连接至第二耦合器；第一光学天线和第二光学天线连接第一环形光路装置，第三光学天线和第四光学天线连接第二环形光路装置；第三耦合器连接第一混频器和第二混频器；第一混频器连接第二环形光路装置，第二混频器连接第一环形光路装置；第一混频器和第二混频器均连接至探测器，探测器、放大器、AD采样器及信号处理机依序连接。其中，激光器采用窄线宽激光器，激光器与光偏振控制器之间设置激光放大器，以对激光器发出的激光光束进行放大。其中，偏振控制器对激光进行偏振状态的保持和转换，激光经过偏振控制器后分成能量不同的两部分，能量小的部分参与相干混频，称为本振光；能量大的部分作为发射光，经过声光移频器后，进入环形光路装置，根据激光的偏振状态同时从第一天线和第三天线或者同时从第二天线和第四天线发射出去；第一天线和第三天线路径的激光偏振方向一致，第二天线和第四天线路径的激光偏振方向一致，其与第一天线和第三天线路径的激光偏振态相差90度。其中，光学天线用于完成不同方向上激光的发射及接收。区别于现有技术，本专利技术的风电机组连续波激光相干测风雷达系统，向大气空间发射连续波激光，利用光学天线的定焦特性，实现固定区域距离上的大气风场测量；连续波式激光测风雷达同样利用了激光的多普勒效应，由于激光测量时光束一直存在，使得连续波式激光测风雷达的风速测量精度和分辨率非常高，通常可达厘米每秒到毫米每秒的测速精度。连续波式激光测风雷达具有系统构建相对简单，价格相对便宜，安全性较高，测量精度高的技术优势。通过本专利技术，实现风机前方定点区域内的大气风场测量，为风机偏航控制、降低风机载荷、辅助风机主控及效率曲线测试等功能提供精确的数据支持，从而有效提升风电机组的效率。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术提供的一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统的结构示意图；图2是本专利技术提供的一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统的光学天线设置的示意图；图3是本专利技术提供的一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统的测光雷达测量范围的示意图；图4是本专利技术提供的一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统的计算过程示意图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。如图1所示，图1是本专利技术提供的一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统，包括：激光器、光偏振控制器、声光移频器、环形光路装置、光学天线、混频器、探测器、放大器、AD采样器及信号处理器；耦合器包括第一耦合器、第二耦合器及第三耦合器；混频器包括第一混频器和第二混频器；环形光路装置包括第一环形光路装置和第二环形光路装置；光学天线包括第一光学天线、第二光学天线、第三光学天线和第四光学天线；其中，激光器、光偏振控制器、声光移频器及环形光路装置依序连接；光偏振控制器和声光移频器之间设置第一耦合器，声光移频器连接第二耦合器，第一环形光路装置和第二环形光路装置均连接至第二耦合器；第一光学天线和第二光学天线连接第一环形光路装置，第三光学天线和第四光学天线连接第二环形光路装置；第三耦合器连接第一混频器和第二混频器；第一混频器连接第二环形光路装置，第二混频器连接第一环形光路装置；第一混频器和第二混频器均连接至探测器，探测器、放大器、AD采样器及信号处理机依序连接。其中，激光器采用窄线宽激光器，激光器与光偏振控制器之间设置激光放大器，以对激光器发出的激光光束进行放大。其中，光学天线用于完成不同方向上激光的发射及接收。由于相干探测体制的激光雷达具有体积小、重量轻、功耗低、精度高的特性，使得相干激光测风雷达具有广阔的应用市场，如风能选址、机场风切变监测、气象预报等领域。按照工作方式的不同，相干激光测风雷达分为连续波式测风雷达和脉冲式测风雷达。脉冲式相干激光测风雷达通过向大气中发射脉冲激光，由接收天线接收大气的散射信号，并利用光速传输时间与距离的一一对应关系，确定距离；通过对不同距离上散射回波光束的多普勒效应信号的处理、提取和解算，实现大气风场的测量。与连续波测风雷达相比，脉冲激光雷达由于激光峰值高，能够有效实现远距离上的大气风场测量（最远距离可达1km～15km），且距离分辨率不受探测距离的影响。但脉冲式相干测风雷达也存在着系统构建复杂，价格昂贵，测速分辨率受脉冲宽度的影响等缺点。连续波式激光测风雷达通过向大气空间发射连续波激光，利用光学天线的定焦特性，实现固定区域距离上的大气风场测量。连续波式激光测风雷达同样利用了激光的多普勒效应，由于激光测量时光束一直存在，使得连续波式激光测风雷达的风速测量精度和分辨率非常高，通常可达厘米每秒到毫米每秒的测速精度。连续波式激光测风雷达具有系统构建相对简单，价格相对便宜，安全性较高，测量精度高的技术优势。鉴于目前风机应用的测量特点和客户的应用需求，本方案采用连续波式激光雷达方式实现大气风场的风速风向测量。连续波式激光测风雷达属于非接触式激光雷达设备，不会对风场的真实环境产生影响。该激光雷达是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统，其特征在于，包括：/n激光器、光偏振控制器、声光移频器、环形光路装置、光学天线、混频器、探测器、放大器、AD采样器及信号处理器；耦合器包括第一耦合器、第二耦合器及第三耦合器；混频器包括第一混频器和第二混频器；环形光路装置包括第一环形光路装置和第二环形光路装置；光学天线包括第一光学天线、第二光学天线、第三光学天线和第四光学天线；/n其中，激光器、光偏振控制器、声光移频器及环形光路装置依序连接；光偏振控制器和声光移频器之间设置第一耦合器，声光移频器连接第二耦合器，第一环形光路装置和第二环形光路装置均连接至第二耦合器；第一光学天线和第二光学天线连接第一环形光路装置，第三光学天线和第四光学天线连接第二环形光路装置；第三耦合器连接第一混频器和第二混频器；第一混频器连接第二环形光路装置，第二混频器连接第一环形光路装置；第一混频器和第二混频器均连接至探测器，探测器、放大器、AD采样器及信号处理机依序连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种风电机组连续波激光相干测风雷达系统，其特征在于，包括：
激光器、光偏振控制器、声光移频器、环形光路装置、光学天线、混频器、探测器、放大器、AD采样器及信号处理器；耦合器包括第一耦合器、第二耦合器及第三耦合器；混频器包括第一混频器和第二混频器；环形光路装置包括第一环形光路装置和第二环形光路装置；光学天线包括第一光学天线、第二光学天线、第三光学天线和第四光学天线；
其中，激光器、光偏振控制器、声光移频器及环形光路装置依序连接；光偏振控制器和声光移频器之间设置第一耦合器，声光移频器连接第二耦合器，第一环形光路装置和第二环形光路装置均连接至第二耦合器；第一光学天线和第二光学天线连接第一环形光路装置，第三光学天线和第四光学天线连接第二环形光路装置；第三耦合器连接第一混频器和第二混频器；第一混频器连接第二环形光路装置，第二混频器连接第一环形光路装置；第一混频器和第二混频器均连接至探测器，探测器、放大器、AD采样器及信号处...

【专利技术属性】
技术研发人员：王灵梅，孟恩隆，贾成真，阎卓民，王强，郭东杰，刘玉山，马维光，张雷，董磊，尹少平，程江涛，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14