[发明专利]一种相干多普勒测风激光雷达系统及其控制方法

说明书

本申请提供一种相干多普勒测风激光雷达系统，包括激光光源、分光器件、聚焦透镜和光电探测器，其中所述系统还包括变焦准直透镜组和光束旋转镜头，所述光束旋转镜头由两枚楔形棱镜构成。本申请还提供一种用于如上所述的相干多普勒测风激光雷达系统的控制方法，所述方法包括同步锁相算法。本申请还提供一种用于如上所述的相干多普勒测风激光雷达系统在测量风场分布中的应用。本申请的有益效果在于测风激光雷达系统结构简单，稳定可靠，可实现测风距离和扫描角度的实时改变，并可在不同测试条件下有效提高测量信噪比，同时延长系统使用寿命。

技术领域

本申请涉及一种激光雷达探测技术，具体涉及一种相干多普勒测风激光雷达系统及其控制方法。

背景技术

相干激光雷达是测量风场分布的有效手段。利用激光的多普勒效应，测量激光在大气中传播时，受到空气中的灰尘、水滴等悬浮颗粒后向散射产生的多普勒频移，能够测量和推算空间风速的分布情况。

对于风向及风速的及时预测，可以传递给风机的控制系统以对风机位置进行相应的调整，风机可以更有效地利用风能并高效地产出能源。根据不同的风况调整风机的状态，在达到最大能源输出效率的同时，可以最大限度地降低动态载荷。

连续波(CW)相干激光雷达是测量风场分布的经济且可靠的手段，具有较高的探测灵敏度，较高的时空分辨率，并有很强的晴空探测能力，可实现对大气三维风场的准确探测，已经在气象、民航、军事等方面得到了广泛应用。但是，在使用现有的相干多普勒激光雷达系统测量风速时，存在以下几个问题：

1、相干激光雷达系统的探测目标为空气中的悬浮颗粒，而回波信号的强度和多普勒频移随目标的距离、径向运动速度以及天气情况等的不同会产生明显差异，因此需要在不同的背景条件下实现对运动目标多普勒信号的高灵敏度探测，并保证探测信号的信噪比，获取准确的测风数据。

2、测量空域的风场分布时，需要用激光器对空间进行扫描。目前难以实现对指定距离、锥角上任意点的扫描，并在保证恒定的扫描频率下延长机械运动部件的寿命，提高激光雷达系统的稳定性和可靠性。

为此，本领域迫切需要开发一种测量准确、高可靠性的相干多普勒测风激光雷达系统及其控制方法。

发明内容

针对现有连续波相干多普勒雷达测量系统的问题，本申请提出了一种相干多普勒雷达变焦旋转系统，结构简单，稳定可靠，可实现测风距离和扫描角度的实时改变，并可在不同测试条件下有效提高测量信噪比，同时延长系统使用寿命。

本申请之目的还在于提供一种相干多普勒雷达变焦旋转系统的控制方法。

为了解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种相干多普勒测风激光雷达系统，包括激光光源、分光器件、聚焦透镜和光电探测器，其中所述系统还包括变焦准直透镜组和光束旋转镜头，所述光束旋转镜头由两枚楔形棱镜构成。

在第一方面的一种实施方式中，所述变焦准直透镜组由两块非球面透镜组成，且其中一块非球面透镜构造成能相对于另一块非球面透镜沿着光轴方向移动。

在第一方面的另一种实施方式中，所述两枚楔形棱镜都包括位置编码器。

在第一方面的另一种实施方式中，所述相干多普勒测风激光雷达系统整体安装在风机轮毂内部，且跟随轮毂同步旋转。

在第一方面的另一种实施方式中，激光雷达自身包含旋转扫面机构，保证获取风轮前方风速的数据刷新速率满足1Hz～100Hz要求。

在第一方面的另一种实施方式中，还包括用于获取雷达实时工作状态信息的传感器。

在第一方面的另一种实施方式中，所述传感器包括下述中的一种或几种：编码器、加速度传感器、重力传感器和地磁传感器。