本實(shí)用新型涉及氣象雷達(dá)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種多距離分層測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的機(jī)艙式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換電能、準(zhǔn)確及時(shí)測(cè)出風(fēng)電廠的風(fēng)向和風(fēng)速，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)整到最佳位置，是提高發(fā)電效率和減少設(shè)備磨損的關(guān)鍵。風(fēng)電廠在測(cè)風(fēng)上采用的傳統(tǒng)測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)方式所得的數(shù)據(jù)與單臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)際面臨的風(fēng)向和風(fēng)速存在較大偏差，使風(fēng)機(jī)不能很好的調(diào)整到最佳位置，影響風(fēng)電效率。為了提高發(fā)電效率，國(guó)外廠家開發(fā)了機(jī)艙式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)。機(jī)艙式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)控制器按照統(tǒng)一協(xié)議與風(fēng)機(jī)渦輪機(jī)控制系統(tǒng)安全鏈接，激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片前方大面積內(nèi)的準(zhǔn)確風(fēng)速和風(fēng)向。激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)每秒鐘都會(huì)將數(shù)據(jù)傳輸至激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)控制器，及時(shí)向風(fēng)機(jī)渦輪機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)態(tài)檢測(cè)和糾正偏航命令，以便提前校準(zhǔn)位置獲取最大風(fēng)能。因此，在不增加關(guān)鍵部件的扭力及張力的前提下，加快了風(fēng)機(jī)的反應(yīng)速度，減少風(fēng)機(jī)磨損，降低故障。

現(xiàn)有的機(jī)艙式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)產(chǎn)品有法國(guó)Leosphere公司的Wind Iris，丹麥Windar Photonics公司的WindEye，英國(guó)ZephIR公司的ZephIR DM，日本MITSUBISHI ELECTRIC公司的Nacelle Lidar，法國(guó)Epsiline公司的YawAdvisorTM。WindEye采用連續(xù)激光體制，體積小、成本低，但是只能定點(diǎn)測(cè)量一個(gè)固定距離(80米)上的風(fēng)場(chǎng)，不能很好的滿足應(yīng)用需求。

YawAdvisorTM系統(tǒng)測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的距離只有10米，應(yīng)用范圍小。Wind Iris采用脈沖激光體制，測(cè)量距離范圍50-400米，最小距離分辨率30米。Nacelle Lidar采用脈沖激光體制，測(cè)量距離范圍50-250米，最小距離分辨率25米。Wind Iris和Nacelle Lidar都能夠在距離上分層，即可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)距離上的風(fēng)速和風(fēng)向，但是采用的是脈沖激光器，整機(jī)體積大、成本高，一般小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組難以承受。ZephIR DM采用連續(xù)激光體制，以電機(jī)調(diào)焦的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離10-300米可調(diào)，可測(cè)量10個(gè)距離上的風(fēng)場(chǎng)，其通過連續(xù)激光器采用調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)不同高度的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量，但是調(diào)焦方式使得一次完成整個(gè)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)，機(jī)械掃描和調(diào)焦部件使得整機(jī)可靠性差，壽命短。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題中存在的不足之處，本實(shí)用新型提供一種多距離分層測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的機(jī)艙式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，降低了雷達(dá)成本，增加了雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量能力。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種多距離分層測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的機(jī)艙式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，包括：窄線寬種子光源、光纖放大器、光纖分束器、聲光移頻器、光纖環(huán)形器、光開關(guān)、多根光學(xué)天線、2×2光纖合束器、平衡光電探測(cè)器和信號(hào)處理電路；

所述窄線寬種子光源的輸出端與所述光纖放大器的輸入端連接，所述光纖放大器的輸出端與所述光纖分束器的輸入端連接，所述光纖分束器的第一輸出端與所述聲光移頻器的輸入端連接，所述光纖分束器的第二輸出端與所述光纖環(huán)形器的第一端口連接，所述聲光移頻器的輸出端與所述2×2光纖合束器的第一輸入端連接，所述光纖環(huán)形器的第三端口與所述2×2光纖合束器的第二輸入端連接，所述光纖環(huán)形器的第二端口與所述光開關(guān)的輸入端連接，所述光開關(guān)的多個(gè)輸出端口與多根光學(xué)天線連接，所述2×2光纖合束器的第一輸出端和第二輸出端與平衡光電探測(cè)器的輸入端連接，所述平衡光電探測(cè)器的輸出端與信號(hào)處理電路連接。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)，包括偶數(shù)根光學(xué)天線，一根光學(xué)天線與所述光開關(guān)的一個(gè)輸出端口連接，上下對(duì)稱且傾斜設(shè)置的兩根天線為一組，兩根天線與水平方向的夾角相等，每組天線向前方發(fā)射出兩路聚焦的測(cè)量光束，多組天線將發(fā)射的測(cè)量光束聚焦到不同的固定距離。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)，所述窄線寬種子光源輸出1.5μm波長(zhǎng)的連續(xù)激光，光譜線寬小于200kHz，偏振態(tài)為線偏振，單模保偏光纖輸出，輸出光功率為1～100mW。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)，所述窄線寬種子光源為單頻窄線寬半導(dǎo)體激光器，或DBR光纖激光器，或DFB光纖激光器，或帶尾纖輸出的固體激光器。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)，所述光纖放大器為單模光纖放大器或雙包層光纖放大器或兩者組合構(gòu)成的多級(jí)光纖放大器。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)，所述聲光移頻器的移頻量為上移頻不小于40MHz。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)，所述光開關(guān)輸出光束平均功率大于400mW。

本實(shí)用新型的有益效果為：

1、采用的光源光譜線寬窄，同時(shí)能輸出連續(xù)激光，成本低，輸出的激光人眼安全；

2、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)采用全光纖結(jié)構(gòu)，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠；

3、光纖元器件均為保偏器件，雷達(dá)輸出線偏振激光；

4、采用光學(xué)相干探測(cè)方法，靈敏度高；

5、能在不同距離上分層測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組前方的準(zhǔn)確風(fēng)速和風(fēng)向。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型多距離分層測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的機(jī)艙式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2采用圖1所示的雷達(dá)進(jìn)行雙光束測(cè)量的原理示意圖。

圖中：

1、窄線寬種子光源；2、光纖放大器；3、光纖分束器；4、聲光移頻器；5、光纖環(huán)形器；6、光開關(guān)；7、第一光學(xué)天線；8、第二光學(xué)天線；9、第三光學(xué)天線；10、第四光學(xué)天線；11、第五光學(xué)天線；12、第六光學(xué)天線；13、2×2光纖合束器；14、平衡光電探測(cè)器；15、信號(hào)處理電路。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例所述的一種多距離分層測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的機(jī)艙式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，包括：窄線寬種子光源1、光纖放大器2、光纖分束器3、聲光移頻器4、光纖環(huán)形器5、光開關(guān)6、第一光學(xué)天線7、第二光學(xué)天線8、第三光學(xué)天線9、第四光學(xué)天線10、第五光學(xué)天線11、第六光學(xué)天線12、2×2光纖合束器13、平衡光電探測(cè)器14和信號(hào)處理電路15。

窄線寬種子光源1的輸出端與光纖放大器2的輸入端連接，光纖放大器2的輸出端與光纖分束器3的輸入端連接，光纖分束器3的第一輸出端31與聲光移頻器4的輸入端連接，光纖分束器3的第二輸出端32與光纖環(huán)形器5的第一端口51連接，聲光移頻器4的輸出端與2×2光纖合束器13的第一輸入端131連接，光纖環(huán)形器5的第三端口53與2×2光纖合束器13的第二輸入端132連接，光纖環(huán)形器5的第二端口53與光開關(guān)6的輸入端連接，光開關(guān)6的第一輸出端口與第一光學(xué)天線7連接，光開關(guān)6的第二輸出端口與第二光學(xué)天線8連接，光開關(guān)6的第三輸出端口與第三光學(xué)天線9連接，光開關(guān)6的第四輸出端口與第四光學(xué)天線10連接，光開關(guān)6的第五輸出端口與第五光學(xué)天線11連接，光開關(guān)6的第六輸出端口與第六光學(xué)天線12連接，2×2光纖合束器13的第一輸出端133和第二輸出端134與平衡光電探測(cè)器14的輸入端連接，平衡光電探測(cè)器14的輸出端與信號(hào)處理電路15連接。

其中，窄線寬種子光源1輸出1.5μm波長(zhǎng)的連續(xù)激光，光譜線寬小于200kHz，偏振態(tài)為線偏振，單模保偏光纖輸出，輸出光功率為1～100mW。具體可采用單頻窄線寬半導(dǎo)體激光器，或DBR光纖激光器，或DFB光纖激光器，或帶尾纖輸出的固體激光器。

光纖放大器2為單模光纖放大器或雙包層光纖放大器或兩者組合構(gòu)成的多級(jí)光纖放大器。

聲光移頻器4的移頻量為上移頻不小于40MHz。

第一光學(xué)天線7與第六光學(xué)天線12為一組，通光口徑25mm，第一光學(xué)天線7與第六光學(xué)天線12發(fā)出光束的夾角為60°，聚焦距離30米。

第二光學(xué)天線8與第五光學(xué)天線11為一組，通光口徑50mm，第二光學(xué)天線8與第五光學(xué)天線11發(fā)出光束的夾角為60°，聚焦距離75米。

第三光學(xué)天線9與第四光學(xué)天線10為一組通光口徑75mm，第三光學(xué)天線9與第六光學(xué)天線12發(fā)出光束的夾角為60°，聚焦距離120米。

光開關(guān)6輸出光束平均功率大于400mW。光開關(guān)6的輸出端按照第一光學(xué)天線7、第六光學(xué)天線12、第二光學(xué)天線8、第五光學(xué)天線11、第三光學(xué)天線9、第四光學(xué)天線10的順序依次切換。

本實(shí)施例中的天線數(shù)量、光學(xué)天線通光口徑、聚焦距離均可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行改變。

具體使用時(shí)，采用該雷達(dá)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，包括以下步驟：

步驟1，窄線寬種子光源1產(chǎn)生的本振光通過光纖放大器2后經(jīng)光纖分束器3的第一輸出端31進(jìn)入聲光移頻器4，再進(jìn)入2×2光纖合束器13的第一輸入端131；

步驟2，窄線寬種子光源1產(chǎn)生的信號(hào)光通過光纖放大器2后經(jīng)光纖分束器3的第二輸出端32進(jìn)入光纖環(huán)形器5的第一端口51，信號(hào)光通過光纖環(huán)形器5的第二端口52進(jìn)入光開關(guān)6，光開關(guān)6將輸入信號(hào)光切換到第一輸出端口輸出，并通過第一光學(xué)天線7發(fā)射出去；

步驟3，光開關(guān)6將輸入信號(hào)光切換到第六輸出端口輸出，并通過第六光學(xué)天線12發(fā)射出去；

步驟4，第一光學(xué)天線7和第六光學(xué)天線12向前方發(fā)射出兩路聚焦的測(cè)量光束；

步驟5，第一光學(xué)天線7和第六光學(xué)天線12反射產(chǎn)生的多普勒頻移回波信號(hào)均沿發(fā)射光路返回，并從光纖環(huán)形器5的第三端口53輸出，同時(shí)，輸出的回波信號(hào)進(jìn)入2×2光纖合束器13的第二輸入端132；

步驟6，兩路回波信號(hào)與本振光通過2×2光纖合束器13合束后入射到平衡探測(cè)器14上，產(chǎn)生外差信號(hào)，并送入信號(hào)處理電路15，根據(jù)多普勒原理提取多普勒頻率，分別得到每路測(cè)量光束的徑向風(fēng)速；

步驟7，如圖2所示，第一光學(xué)天線7發(fā)出光束的徑向風(fēng)速為V_los1，第六光學(xué)天線12發(fā)出光束的徑向風(fēng)速為V_los2，第一光學(xué)天線7與第六光學(xué)天線12發(fā)出光束的夾角為60°，即2α＝60°，通過式(1)～(4)計(jì)算得到每組聚焦光束聚焦距離平面上的風(fēng)速和風(fēng)向信息：風(fēng)向與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸線的夾角φ，沿風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸線方向的風(fēng)速W，垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸線方向的風(fēng)場(chǎng)分量U，風(fēng)矢量大小V；

步驟8，重復(fù)步驟3-7，光開關(guān)6循環(huán)往復(fù)，將輸入信號(hào)光依次切換到第二輸出端口、第五輸出端口、第三輸出端口和第四輸出端口輸出，并第二光學(xué)天線8、第五光學(xué)天線11、第三光學(xué)天線9和第四光學(xué)天線10發(fā)射出去，兩組天線將發(fā)射的測(cè)量光束聚焦到不同的固定距離，四路多普勒頻移回波信號(hào)均沿發(fā)射光路返回，并通過光纖環(huán)形器5輸出后進(jìn)入2×2光纖合束器13與本振光合束入射到平衡探測(cè)器14上，產(chǎn)生多路外差信號(hào)，并通過信號(hào)處理電路15提取多個(gè)多普勒頻率，分別得到四路測(cè)量光束的徑向風(fēng)速，依次計(jì)算得到多組聚焦光束不同聚焦距離平面上的風(fēng)速和風(fēng)向信息。

以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。