運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備和用于本發(fā)明的風(fēng)速測(cè)量領(lǐng)域的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明關(guān)注一種用于風(fēng)速測(cè)量的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定LIDAR(100)，MS-LIDAR，其包括：穩(wěn)定器單元(25)，其具有用于連接到激光雷達(dá)LIDAR(10)的探頭端(30)和用于連接到浮動(dòng)平臺(tái)(80)的基部端(40)，該穩(wěn)定器單元(25)配置用于將基部端(40)的運(yùn)動(dòng)至少部分地與探頭端(30)隔離；LIDAR(10)，其以固定的方式連接至探頭端(40)；運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，其與探頭端(40)具有固定的關(guān)系；該MS-LIDAR(100)被布置成在一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積處進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備和用于本發(fā)明的風(fēng)速測(cè)量領(lǐng)域的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)注一種用于風(fēng)速測(cè)量的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備或激光雷達(dá)(LIDAR)，以及一種利用光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)的風(fēng)速測(cè)量的方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備或激光雷達(dá)(LIDAR)和用于在如浮標(biāo)的浮動(dòng)平臺(tái)上使用的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]選擇用于風(fēng)力渦輪機(jī)放置的合適地點(diǎn)對(duì)于確保通過(guò)風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的能量足以抵消(尤其是渦輪機(jī)海上定位時(shí))相對(duì)高的建筑成本是重要的。在本領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)使用桅桿安裝機(jī)械或聲波風(fēng)速計(jì)、和浮動(dòng)安裝的LIDAR記錄海上數(shù)據(jù)。海上LIDAR系統(tǒng)是已知的，例如，來(lái)自W02005/008284。LIDAR系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量施加至從天然氣溶膠(例如，灰塵、花粉、水滴等)散射的激光的多普勒頻移提供風(fēng)速數(shù)據(jù)。在Vaughan和Forrester的在WindEngineering第13卷第I期，1989, ppl-15,尤其是第8部分中，描述了基于CO2的激光的LIDAR系統(tǒng)的示例。最近，已經(jīng)研發(fā)出在Karlsson等人在2000年7月20日的AppliedOptics第39卷第21期中所描述的這款較低成本的基于光纖的LIDAR裝置。
[0003]LIDAR系統(tǒng)測(cè)量被施加至在特定遠(yuǎn)程探頭體積內(nèi)所反射的輻射的多普勒頻移，并且因此可以?xún)H獲得在平行于該發(fā)射/返回的激光束的方向上的風(fēng)速數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域中的一個(gè)問(wèn)題是如何獲得更精確的測(cè)量?？梢苿?dòng)式LIDAR系統(tǒng)能夠承受導(dǎo)致讀數(shù)失真的運(yùn)動(dòng)。海上LIDAR，例如，可以部分地依賴(lài)于海浪的自然運(yùn)動(dòng)以取得測(cè)量體積，然而，這種體積在某些天氣條件可以被放大，這降低了測(cè)量的精確度。另一個(gè)問(wèn)題是LIDAR本身的運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致虛假讀數(shù)。此外，浮動(dòng)LIDAR的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致進(jìn)一步不準(zhǔn)確，而且可能無(wú)法完全充分地掃描體積。在本領(lǐng)域中的一個(gè)問(wèn)題是如何準(zhǔn)確地測(cè)量風(fēng)速仍然考慮Iidar本身的任何運(yùn)動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及一種用于風(fēng)速測(cè)量的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定化的光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備
(100)，MS-LIDAR，其包括:
[0005]穩(wěn)定器單元(25)，具有用于連接到光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備LIDAR(IO)的探頭端(30)和用于連接到浮動(dòng)平臺(tái)(80)的基部端(40)，該穩(wěn)定器單元(25)配置用于將基部端(40)的運(yùn)動(dòng)至少部分地與探頭端(30)隔離；
[0006]LIDAR(IO)，其以固定的方式連接至探頭端(40)；
[0007]運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，其與探頭端(40)具有固定的方式；
[0008]該MS-LIDAR(IOO)被布置成在一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積處進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。
[0009]所述穩(wěn)定器裝置(25)可被布置成將基部端(40)的俯仰(pitch)、側(cè)滾(roll)和搖擺或橫擺(yaw)運(yùn)動(dòng)中的一個(gè)或多個(gè)至少部分地與探頭端(30)隔離。[0010]所述運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)可被布置成測(cè)量探頭端(30)的俯仰、側(cè)滾和搖擺或橫擺運(yùn)動(dòng)中的一個(gè)或多個(gè)。
[0011 ] 所述遠(yuǎn)程探頭體積可相對(duì)于基部端部(40)處于未知位置。
[0012]所述LIDAR(IO)可以是脈沖波LIDAR和可選地是掃描LIDAR。
[0013]所述穩(wěn)定器單元(25)可包括平衡環(huán)機(jī)構(gòu)或常平環(huán)機(jī)構(gòu)。
[0014]MS-LIDAR (100)可進(jìn)一步設(shè)有處理器(60)，所述處理器(60)被配置成利用從運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算在一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積處的風(fēng)速和探頭體積相對(duì)于空間中固定點(diǎn)的位置。
[0015]所述處理器被配置成利用被應(yīng)用至從LIDAR(IO)和運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)獲得的數(shù)據(jù)的校正方法計(jì)算風(fēng)速測(cè)量結(jié)果。
[0016]所述校正方法可包括以下步驟:
[0017]-從所述運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)獲得關(guān)于探頭端(30)的旋轉(zhuǎn)和可選地平移運(yùn)動(dòng)的信息；
[0018]-以規(guī)則的時(shí)間間隔由運(yùn)動(dòng)探測(cè)器信息計(jì)算變換矩陣以計(jì)算探頭端(30)的位置，其中時(shí)間間隔由探頭端(30)的最大角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)確定；
[0019]-從變換矩陣獲得探頭端(30)的移動(dòng)軌跡；
[0020]-校正探頭端(30)的移動(dòng)軌跡的通過(guò)LIDAR獲得的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果。
[0021]以規(guī)則的時(shí)間間隔計(jì)算所述變換矩陣，使得通過(guò)運(yùn)動(dòng)探測(cè)器在探頭端(30)處探測(cè)到的最大角度搖擺或橫擺運(yùn)動(dòng)在側(cè)滾、俯仰和搖擺或橫擺中的任一個(gè)不超過(guò)I度，或者其中每秒計(jì)算所述變換矩陣2至9次。
[0022]所述校正方法可以包括:
[0023]-獲得用于多個(gè)測(cè)量視線(xiàn)(15、15’-圖8)的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果，其中一個(gè)測(cè)量視線(xiàn)包括沿著測(cè)量風(fēng)速的視線(xiàn)的不同測(cè)量高度(LoSHl’、LoSH2’、LoSH3’、LoSH4’、LoSH5’)處的多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積；
[0024]-通過(guò)插值法生成用于所述測(cè)量視線(xiàn)(15’)的兩個(gè)或多個(gè)所述遠(yuǎn)程探頭體積之間的風(fēng)速數(shù)據(jù)；
[0025]-從插值風(fēng)速數(shù)據(jù)和來(lái)自運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)的數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)速，作為所述多個(gè)測(cè)量視線(xiàn)(15，15’)的至少兩個(gè)的大氣層高度的函數(shù)。
[0026]所述處理器還被配置成利用至少三個(gè)不同視線(xiàn)束方向計(jì)算在三維笛卡爾坐標(biāo)系中的風(fēng)速矢量。
[0027]所述MS-LIDAR(100)可以連接至浮動(dòng)平臺(tái)(80)。
[0028]本發(fā)明還涉及一種用于風(fēng)速測(cè)量的方法，包括使用本文中所限定的MS-LIDAR (100)和 MS-LIDAR 系統(tǒng)(200)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1示出本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的LIDAR(MS-LIDAR)的示圖，其中基部端和探頭端對(duì)準(zhǔn)。
[0030]圖1a和Ib示出本發(fā)明的MS-LIDAR的示圖，其中探頭端保持與基部端的運(yùn)動(dòng)隔離的垂直對(duì)準(zhǔn)。[0031]圖2示出設(shè)置有處理器和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的MS-LIDAR的示意圖。
[0032]圖3示出本發(fā)明的MS-LIDAR的示例，其中穩(wěn)定器單元包括具有其中旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)正交的一對(duì)平衡環(huán)的平衡環(huán)機(jī)構(gòu)或常平環(huán)機(jī)構(gòu)。
[0033]圖4示出本發(fā)明的MS-LIDAR系統(tǒng)的示例。
[0034]圖5是用于獲取沿著視線(xiàn)的風(fēng)速的部分處理步驟的示意圖。
[0035]圖6a示出平移運(yùn)動(dòng)是靜態(tài)的MS-LIDAR的示意圖。
[0036]圖6b示出經(jīng)歷平移運(yùn)動(dòng)的MS-LIDAR的示意圖。
[0037]圖7示出MS-LIDAR的探頭端和LIDAR的側(cè)滾、俯仰和搖擺或橫擺運(yùn)動(dòng)。
[0038]圖8是在大氣中測(cè)量高度下的LIDAR取向運(yùn)動(dòng)的效果的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]在描述本發(fā)明的本系統(tǒng)和方法之前，要理解本發(fā)明不限于所描述的具體裝置、系統(tǒng)和方法或組合，因?yàn)檫@種裝置、系統(tǒng)和方法及組合當(dāng)然可以變化。也要理解本文所用的術(shù)語(yǔ)并不旨在進(jìn)行限制，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍將僅由所附權(quán)利要求來(lái)限定。
[0040]如本文所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”包括單數(shù)和復(fù)數(shù)對(duì)象，除非上下文另有明確規(guī)定。
[0041]如本文所用的術(shù)語(yǔ)“包含”、“包括”和“具有”與“包含”、“包括”或“含有”、“包含”是同義詞，并且是包含性的或開(kāi)放式的，并且不排除附加的、未描述的構(gòu)件、元件或方法步驟。將要理解的是，在此使用的術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”和“含有”包括術(shù)語(yǔ)“由...組成”、“組成”和“由...構(gòu)成”。
[0042]由端點(diǎn)表述的數(shù)值范圍包括被歸類(lèi)在各自范圍內(nèi)的所有數(shù)字和分?jǐn)?shù)、以及所表述的端點(diǎn)。
[0043]當(dāng)涉及諸如參數(shù)、量、時(shí)間的持續(xù)時(shí)間等的可測(cè)量值時(shí)本文中所用的術(shù)語(yǔ)“約”或“大約”表示包括從具體值的+/-10%或更少、優(yōu)選地+/-5%或更少、更優(yōu)選地+/-1%或更少，并且還更優(yōu)選地+/-0.1%或更少的變化，到目前為止這種變化適于應(yīng)用到所公開(kāi)的發(fā)明中。要理解的是，修飾語(yǔ)“約”或“大約”所涉及的值也是具體地、并且優(yōu)選地為所公開(kāi)的本身。
[0044]然而，術(shù)語(yǔ)“一個(gè)或多個(gè)”或“至少一個(gè)”，例如一組構(gòu)件的一個(gè)或多個(gè)或至少一個(gè)構(gòu)件，本身通過(guò)進(jìn)一步的范例是清楚的，術(shù)語(yǔ)包括等涉及所述構(gòu)件中的任一個(gè)或者所述構(gòu)件中的任兩個(gè)或更多，諸如例如所述構(gòu)件的任意> =3，> = 4，> = 5，> = 6or> = 7,直到所有所述構(gòu)件。
[0045]本說(shuō)明書(shū)中列舉的所有參考文獻(xiàn)通過(guò)參考的方式以它們的整體并入。特別地，本文中具體涉及的所有參考文獻(xiàn)通過(guò)參考的方式并入。
[0046]除非另有定義，本發(fā)明公開(kāi)中所使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)或者科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所通常理解的含義。通過(guò)進(jìn)一步的指導(dǎo)，術(shù)語(yǔ)定義被包括以更好地理解本發(fā)明的教導(dǎo)。
[0047]在下面的段落中，更加詳細(xì)地限定本發(fā)明的不同方面。如此定義的每個(gè)方面可以與任何其它一個(gè)或多個(gè)方面結(jié)合，除非明確有相反指示。所標(biāo)識(shí)的任何特征可以與任何其它特征相結(jié)合。特別地，被標(biāo)識(shí)為優(yōu)選的或有利的任何一個(gè)或多個(gè)特征可以與被標(biāo)識(shí)為優(yōu)選的或有利的任何其它一個(gè)或多個(gè)特征相結(jié)合。
[0048]在本發(fā)明的此次描述中，參考形成本文中的一部分的附圖，并且僅在本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)的具體實(shí)施例的圖示的方式顯示。附屬于各個(gè)元件的插入或嵌入的參考數(shù)字僅以示例方式示例地表示這些元件，并不是用它們來(lái)限制各個(gè)元件。要理解的是，其他實(shí)施例可以在不脫離本發(fā)明的范圍情況下可以被利用或進(jìn)行在結(jié)構(gòu)上或邏輯上的變化。因此，下面的詳細(xì)說(shuō)明不應(yīng)被視為具有限制意義，并且本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求限定。
[0049]本發(fā)明提供了一種運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備(MS-LIDAR)。光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備被布置以在一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積實(shí)現(xiàn)風(fēng)速測(cè)量。遠(yuǎn)程體積相對(duì)于空間中的固定點(diǎn)，例如，相對(duì)于地球，基本上保持不變；例如所測(cè)量的位置相對(duì)于地面或海床或海面。
[0050]本發(fā)明的MS-LIDAR包括具有基部端和探頭端的穩(wěn)定器單元。基部端被配置用于至浮動(dòng)平臺(tái)的連接。探頭端被構(gòu)造用于至光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的連接。穩(wěn)定器單元將基部端的運(yùn)動(dòng)至少部分地(優(yōu)選完全地)與探頭端的運(yùn)動(dòng)隔離。穩(wěn)定器單元將光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備保持在基本垂直的位置。穩(wěn)定器將基部端連接至探頭端，并且包括將所述基部端的運(yùn)動(dòng)至少部分地，優(yōu)選完全地與所述探頭端的運(yùn)動(dòng)隔離的機(jī)構(gòu)。
[0051]基部端，(也被稱(chēng)為“基部”、“基部部分”、或“基部構(gòu)件”)，可以被配置成永久地或可拆卸地連接至浮動(dòng)平臺(tái)。基部端部可以包括基部板?？刹鹦兜倪B接允許MS-LIDAR被移除用于維修和修理及換入更換，從而避免停機(jī)時(shí)間。探頭端(也稱(chēng)為“探頭連接部分”，“探頭連接構(gòu)件”)可以被配置成永久地或可拆卸地連接至LIDAR。探頭端可以包括用以容納LIDAR的空腔或空間?？刹鹦兜倪B接允許LIDAR被移除用于維修和修理及換入更換，從而避免停機(jī)時(shí)間。
[0052]由穩(wěn)定器單元及其中的穩(wěn)定器隔離的運(yùn)動(dòng)可以是旋轉(zhuǎn)的(角度的)或平移的或兩者，但優(yōu)選只旋轉(zhuǎn)的。通常浮動(dòng)平臺(tái)的至少部分、優(yōu)選全部的俯仰和/或側(cè)滾運(yùn)動(dòng)由穩(wěn)定器吸收。搖擺或橫擺(jaw)(羅盤(pán)方位)運(yùn)動(dòng)可能會(huì)或可能不會(huì)被隔離。考慮到穩(wěn)定器單元，根據(jù)本發(fā)明測(cè)量的探頭體積相對(duì)于基部端以及因此浮動(dòng)平臺(tái)處于未知的位置。有利地，穩(wěn)定器單元允許一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積相對(duì)于空間上的固定點(diǎn)基本保持不變，例如所測(cè)量的位置相對(duì)于地面或海床基本保持不變。因此，減少或避免了浮動(dòng)平臺(tái)的側(cè)滾(roll)和俯仰(pitch)探頭體積延伸至探頭體積，從而提供了對(duì)風(fēng)速和/或速度更精確的確定。
[0053]穩(wěn)定器單元的穩(wěn)定器是將基部端的運(yùn)動(dòng)與探頭端的運(yùn)動(dòng)至少部分地、優(yōu)選地完全地隔離的機(jī)構(gòu)。穩(wěn)定器可以是被動(dòng)機(jī)構(gòu)，如萬(wàn)向接頭或者平衡環(huán)機(jī)構(gòu)或常平環(huán)機(jī)構(gòu)或球窩接頭布置。平衡環(huán)機(jī)構(gòu)或常平環(huán)機(jī)構(gòu)可包括一對(duì)正交地布置的萬(wàn)向節(jié)。被動(dòng)穩(wěn)定器是優(yōu)選的，其不會(huì)有助于總的功耗。然而，還想到，可以使用主動(dòng)穩(wěn)定器，例如基于陀螺穩(wěn)定性，或者基于具有電氣機(jī)械系統(tǒng)(伺服電機(jī))的閉環(huán)反饋的電子運(yùn)動(dòng)傳感器，其主動(dòng)地將探頭端保持在基本恒定的水平。
[0054]本發(fā)明的MS-LIDAR還包括光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備儀器，配置成記錄風(fēng)速和/或速度測(cè)量。光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備包括激光和光傳感器。光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的激光沿視線(xiàn)(LoS)發(fā)射激光束，該視線(xiàn)是光束相對(duì)于光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的特定方向；被空氣中的顆粒散射的光被反射回來(lái)，并通過(guò)在光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備中的光傳感器探測(cè)到。通過(guò)光散射顆粒沿著Los的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)確定風(fēng)速測(cè)量結(jié)果。被返回的風(fēng)速沿LoS的方向。利用未知的LoS的長(zhǎng)度值和LoS相對(duì)于水平面的角度可以從被返回的風(fēng)速中計(jì)算出(與渦輪機(jī)應(yīng)用相關(guān)的)測(cè)量的水平分量。
[0055]圖5描述了在固定位置的脈沖光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的典型測(cè)量過(guò)程。沿單一視距，通過(guò)光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備執(zhí)行多次測(cè)量，多次測(cè)量被平均化以減少噪聲。通常，沿LoS發(fā)射約10000次短脈沖。脈沖的長(zhǎng)度部分地確定測(cè)量的高度；較長(zhǎng)的脈沖對(duì)應(yīng)較高的高度。脈沖的長(zhǎng)度可以為例如0.8微秒?？蓺w因于脈沖并由傳感器探測(cè)到的多個(gè)返回信號(hào)的每一個(gè)包括通過(guò)與LoS相切的多個(gè)平面的多普勒改性頻率。時(shí)域中的每個(gè)返回信號(hào)62利用快速傅立葉變換(FFT)被轉(zhuǎn)換到頻域。為了獲得在特定高度處的風(fēng)速信息，返回信號(hào)62可以被劃分成多個(gè)窗口 62a/63a,62b/63b,62c/63c,62d/63d,62e/63e,稱(chēng)為距門(mén)(range gate)。一個(gè)或多個(gè)，優(yōu)選所有距門(mén)63a、63b、63c、63d、63e的信號(hào)被快速傅立葉轉(zhuǎn)換到頻域，從而獲得多個(gè)頻率峰值64a、64b、64c、64d、64e，每個(gè)與沿LoS的不同測(cè)量高度的光頻率和強(qiáng)度相關(guān)。信號(hào)在快速傅立葉轉(zhuǎn)換之前或之后被平均(AVG)，以獲得具有改進(jìn)后的信噪比65a、65b、65c、65d,65e。頻域中的與聞度相關(guān)的信號(hào)中的一個(gè)或多個(gè)66a、66b、66c、66d、66e與發(fā)射光61進(jìn)行比較(CMP);這兩者之間的差別的指示允許計(jì)算(SPD)在高度Hl至H5處沿圖示中LoS67a、67b、67c、67d、67e的風(fēng)速。利用沿著LoS的測(cè)量高度和LoS相對(duì)于水平面的角度的已知值，可以確定測(cè)量的大氣層高度。也可以使用LoS的長(zhǎng)度和LoS相對(duì)于水平面的角度的已知值來(lái)計(jì)算測(cè)量的水平分量。
[0056]有利的是，MS-LIDAR可以被布置以通過(guò)在多個(gè)位置處的遠(yuǎn)程探頭體積獲得風(fēng)速測(cè)量結(jié)果，從而可以確定真實(shí)的風(fēng)速矢量。例如，在MS-LIDAR中的光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備可方便地包括束掃描器。以這種方式，可以提供相對(duì)于MS-LIDAR的探頭端的已知位置的多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積。包括光束掃描器是有利的，但不是必需的。光束掃描器可以有利地布置成使激光束沿不同的方向掃描。多個(gè)方向也構(gòu)成圖案(例如圓錐)。優(yōu)選地，所述掃描包括在繞著圓錐形空氣容積的3個(gè)以上、優(yōu)選4個(gè)不同方向上分離的光束測(cè)量。圓錐角度優(yōu)選為28°C。這樣做的測(cè)量有時(shí)被稱(chēng)為徑向風(fēng)速測(cè)量。通過(guò)執(zhí)行不同方向上的模式化掃描，風(fēng)速測(cè)量可以在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行交叉或重疊，由此實(shí)現(xiàn)推導(dǎo)空間內(nèi)的區(qū)域的真實(shí)的速度矢量。除了錐形以外的其它掃描模式是已知的并且可以用來(lái)確定真實(shí)的風(fēng)速矢量，只要以足夠精確的程度已知光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備范圍和指向(或觀察)方向。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，并沒(méi)有通過(guò)穩(wěn)定器單元補(bǔ)償?shù)奶筋^端單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)(例如，由波浪運(yùn)動(dòng)引起的側(cè)滾和俯仰)可能提供具有較低功耗的被動(dòng)的光束掃描器。
[0057]有利的是，該光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備可能是雙靜態(tài)的。雙靜態(tài)光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)具有分離的發(fā)射和接收光學(xué)器件。單靜態(tài)光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)也是已知的并且被這樣稱(chēng)呼，因?yàn)樗鼈兙哂泄餐陌l(fā)射和接收光學(xué)器件。雙靜態(tài)系統(tǒng)的非平行的發(fā)射和接收光束是特別有利的，因?yàn)樗鼈兛梢员徊贾贸稍谔囟c(diǎn)相交，由此準(zhǔn)確地確定遠(yuǎn)程探頭體積(即空間中獲取多普勒風(fēng)速測(cè)量的區(qū)域)。盡管對(duì)探頭體積的限制可能導(dǎo)致分布式目標(biāo)的返回信號(hào)強(qiáng)度的降低，但是與單靜態(tài)系統(tǒng)相比，通過(guò)亂真反射所產(chǎn)生的噪聲大大降低。
[0058]優(yōu)選地，光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備是基于光纖。例如，光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備可以是Karlsson等人在2000年7月20日第21期第39卷的應(yīng)用光學(xué)器件中所描述的那種類(lèi)型。與基于CO2激光的系統(tǒng)相比，基于光纖的光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)是有利的，原因在于它們體積小、功耗低并且是魯棒的。
[0059]光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備可以是脈沖波或連續(xù)波光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備。優(yōu)選地，它是脈沖波光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備。
[0060]有利的是，MS-LIDAR還包括運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，所述運(yùn)動(dòng)探測(cè)器配置成監(jiān)視探頭端的運(yùn)動(dòng)，以及因此監(jiān)視光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和遠(yuǎn)程探頭體積的運(yùn)動(dòng)。因而運(yùn)動(dòng)探測(cè)器允許確定每次風(fēng)速測(cè)量的光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的遠(yuǎn)程探頭體積的取向和/或絕對(duì)位置。從這一點(diǎn)，可以確定運(yùn)動(dòng)的軌跡。本文中，術(shù)語(yǔ)絕對(duì)位置是指空間中的相對(duì)于在空間中的固定點(diǎn)(例如地球上的)所限定的位置；例如所測(cè)量的位置相對(duì)于地面或海床。要理解的是，遠(yuǎn)程探頭體積的相對(duì)位置被轉(zhuǎn)換成絕對(duì)的遠(yuǎn)程探頭體積位置的精確度將取決于運(yùn)動(dòng)探測(cè)器的精確度。典型地，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器的精確度在角度上大約為I度而在(沿任何方向的)速度上為每秒幾厘米。運(yùn)動(dòng)探測(cè)器優(yōu)選地以固定關(guān)系安裝至MS-LIDAR的探頭端。
[0061]因此，本發(fā)明提供了一種MS-LIDAR，其可以給出空間中的多個(gè)絕對(duì)位置處風(fēng)速的可靠數(shù)據(jù)。有利的是，在多個(gè)絕對(duì)位置處通過(guò)遠(yuǎn)程探頭體積獲取的風(fēng)速測(cè)量允許確定在空間的既定區(qū)域中(例如，風(fēng)力渦輪機(jī)的潛在位置處)真實(shí)的風(fēng)速和/或速度矢量。
[0062]有利的是，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器獨(dú)立于基部端的運(yùn)動(dòng)監(jiān)視探頭端以及因而監(jiān)視光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的速度，使得可以校正任何輕微的探頭端速度情況下一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積獲取的風(fēng)速測(cè)量校正。
[0063]運(yùn)動(dòng)探測(cè)器可以包括多個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器中的一個(gè)或多個(gè)。在運(yùn)動(dòng)探測(cè)中使用的運(yùn)動(dòng)傳感器的類(lèi)型將取決于探頭端以及因而所連接的光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備所采用的運(yùn)動(dòng)的類(lèi)型，以及這種運(yùn)動(dòng)對(duì)正在采集的數(shù)據(jù)的影響的重要性。運(yùn)動(dòng)傳感器的組合能夠?yàn)槊看螠y(cè)量確定光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備探頭體積的方位和/或位置。當(dāng)正在記錄測(cè)量時(shí)可以激活運(yùn)動(dòng)探測(cè)器。要理解的是，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器可以設(shè)置作為單個(gè)外罩單元，或者可以被罩在多個(gè)單元中，例如，一個(gè)傳感器用于一個(gè)單兀。
[0064]便利地，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器可包括搖擺或橫擺(jaw)(旋轉(zhuǎn))傳感器。換句話(huà)說(shuō)，測(cè)量羅盤(pán)方向(即該裝置正在指向的方位)。這允許確定探頭端以及因而光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的羅盤(pán)方位，并且因此允許計(jì)算風(fēng)向。搖擺或橫擺傳感器優(yōu)選地相對(duì)于MS-LIDAR的探頭端固定安裝。搖擺或橫擺傳感器可以基于羅盤(pán)傳感器。
[0065]運(yùn)動(dòng)探測(cè)器可方便地包括側(cè)滾傳感器和/或俯仰(搖擺或橫擺)傳感器。例如可提供二維俯仰和側(cè)滾傳感器。當(dāng)側(cè)滾和俯仰均被測(cè)量時(shí)，傳感器有時(shí)稱(chēng)為傾斜傳感器。這使得可以確定探頭端的傾斜度，以及因此確定光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的傾斜度，因此計(jì)算出風(fēng)向。側(cè)滾傳感器和/或俯仰傳感器優(yōu)選地相對(duì)于MS-LIDAR的探頭端固定安裝。側(cè)滾和/或俯仰傳感器可以基于陀螺儀傳感器。
[0066]有利的是，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器可包括起伏傳感器。這種傳感器被用以確定測(cè)量平臺(tái)的垂直速度，從而允許確定MS-LIDAR的垂直位置的任何變化。所測(cè)得的垂直速度分量也可以被用來(lái)校正所測(cè)得的風(fēng)速的垂直分量。起伏傳感器可以以固定方式連接至MS-LIDAR探頭端或基部端。起伏可以基于加速計(jì)和/或陀螺儀傳感器。
[0067]運(yùn)動(dòng)探測(cè)器也可以有利地包括平移(搖擺或橫擺和/或顛簸或震蕩)傳感器。這種傳感器被用以確定測(cè)量平臺(tái)(沿兩個(gè)維度)上的水平速度，從而允許確定MS-LIDAR位置。優(yōu)選地，探測(cè)沿給定方向上的速度。所測(cè)得的水平分量還可以用以校正校正所測(cè)得的風(fēng)速的水平分量。平移傳感器可以以固定方式附接至MS-LIDAR探頭端或基部端。搖擺或橫擺或顛簸或震蕩傳感器可以基于加速計(jì)和/或陀螺儀傳感器。[0068]還可以設(shè)置全球定位系統(tǒng)(GPS)監(jiān)視MS-LIDAR的絕對(duì)位置。如果MS-LIDAR被限制成保持在限定的區(qū)域內(nèi)，那么平移傳感器通常是不必要的。例如，如果MS-LIDAR所附接的平臺(tái)是系纜浮標(biāo)。然而，通過(guò)目前低成本的GPS系統(tǒng)所提供的近似的位置信息將使得可以監(jiān)測(cè)漂流平臺(tái)的位置(例如，用于海洋學(xué)研究)，或僅僅是為了防止停泊故障或盜竊。全球定位系統(tǒng)可以固定方式附接至MS-LIDAR探頭端或基部端。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體方面，運(yùn)動(dòng)探測(cè)器包括陀螺儀加強(qiáng)姿態(tài)航向參考系統(tǒng)(attitude heading reference system, AHRS)。這種 AHRS 是本領(lǐng)域已知的，例如，如由 Xsens制造的MTi。AHRS優(yōu)選包含內(nèi)部低功耗信號(hào)處理器，其提供無(wú)漂移三維定向以及經(jīng)校準(zhǔn)的三維加速度、三維的轉(zhuǎn)彎速率(速率陀螺儀)和三維地球磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。它優(yōu)選包括一個(gè)或多個(gè)，優(yōu)選所有以下內(nèi)容:一個(gè)或多個(gè)三維加速度傳感器(即在三維取向上的3個(gè)傳感器)、一個(gè)或多個(gè)三維陀螺儀傳感器、一個(gè)或多個(gè)三維磁性傳感器、一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器、一個(gè)或多個(gè)靜態(tài)壓力傳感器、一個(gè)或多個(gè)GPS接收器。處理器可以使用一個(gè)或多個(gè)嵌入算法和濾鏡，用于對(duì)有用數(shù)據(jù)的校正、糾錯(cuò)和集合。如何將不同傳感器整合到計(jì)算中的配置可以適應(yīng)采用AHRS的環(huán)境。
[0070]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是可以提供單個(gè)或多個(gè)傳感器以執(zhí)行上述傳感器功能的所有或組合。例如，如果足夠精確并且可負(fù)擔(dān)的，單個(gè)絕對(duì)定位和定向傳感器可以用于旋轉(zhuǎn)、側(cè)滾、起伏和位置測(cè)量。
[0071]風(fēng)速的計(jì)算可能依賴(lài)于某些假設(shè)，包括水平方向一致性(用于平均束的假定)、用于測(cè)量的束間距離的恒定速度、和束測(cè)量體積內(nèi)的空間變化。然而在實(shí)踐中，可能存在光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，例如，由于除了用來(lái)測(cè)量風(fēng)速的多普勒效應(yīng)之外，可能使風(fēng)速讀數(shù)失真的海上的平移和角度運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)不一定要用穩(wěn)定器阻尼。另外地或可替代地，由于光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的不同的大氣層測(cè)量高度導(dǎo)致讀數(shù)失真，尤其用于風(fēng)速矢量的計(jì)算。因此，有必要校正光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備運(yùn)動(dòng)情況下的風(fēng)速測(cè)量，并且另外或者可替代地，用于不同的大氣層測(cè)量高度。
[0072]因此，本發(fā)明提供了一種在通過(guò)運(yùn)動(dòng)探測(cè)器測(cè)量時(shí)校正所獲得的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果以考慮探頭端以及因而光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的任何運(yùn)動(dòng)校正的方法。具體地，移動(dòng)的探頭端以及因而光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的速度可以被從風(fēng)速讀數(shù)中減去。所述方法可替代地或附加地校正在測(cè)量之間使用插值法的大氣層測(cè)量高度之差。
[0073]下面進(jìn)一步詳細(xì)描述光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)速測(cè)量的影響。雖然瞬時(shí)的MS-LIDAR被運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定化，但是在基部端處于運(yùn)動(dòng)的情況下探頭端有小的運(yùn)動(dòng)。這些可以是不能被穩(wěn)定器穩(wěn)定的小的角度運(yùn)動(dòng)和/或平移。探頭端的運(yùn)動(dòng)被傳輸至LIDAR并且影響測(cè)量過(guò)程，導(dǎo)致測(cè)量由在特定高度處的LIDAR束的速度和沿著視線(xiàn)的真實(shí)風(fēng)速構(gòu)成的結(jié)合的風(fēng)速。為了更好說(shuō)明此現(xiàn)象，在圖6a和6b中提供以下簡(jiǎn)化的示例，其考慮到探頭端30的平移運(yùn)動(dòng)。圖6a和6b示出了本發(fā)明的MS-LIDAR100，其包括穩(wěn)定器裝置25，穩(wěn)定器裝置25具有探頭端30、基部端40和將基部端40連接至探頭端30的穩(wěn)定器20。光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備10安裝在探頭端30。在圖6a和6b中，穩(wěn)定器單兀25在基部端背尚中立位直時(shí)保持探頭端30和光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備10的本來(lái)的垂直位置。圖6a中，在探頭端30是靜態(tài)時(shí)測(cè)量
空氣的體積92。沿著束15的LoS的測(cè)量允許計(jì)算空氣中的微粒90沿著LoS的速度，并且隨后用沿著束的錐角(28° )和測(cè)量長(zhǎng)度的信息計(jì)算水平風(fēng)風(fēng)速現(xiàn)在考慮探頭端30處于恒定的(不加速的)水平平移運(yùn)動(dòng)中，如圖6b中所示。用箭頭94表示此運(yùn)動(dòng)。沿束15的視線(xiàn)的測(cè)量表明沿視線(xiàn)LoS測(cè)得的風(fēng)速f.',.)的有效增長(zhǎng)；這隨后會(huì)伴隨著水平
風(fēng)速矢量的增長(zhǎng)；速度矢量的增長(zhǎng)在圖6b中是由粗黑箭頭所示的。由此得出的測(cè)量
對(duì)應(yīng)于空氣96的被探頭端30以及因而LIDAR束15的運(yùn)動(dòng)加大的體積；由此得出的風(fēng)速矢量計(jì)算了在測(cè)量高度處真實(shí)風(fēng)流動(dòng)90和探頭端LIDAR運(yùn)動(dòng)94的組合。這樣，探頭端的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了真實(shí)風(fēng)流動(dòng)90測(cè)量的失真。
[0074]雖然上面描述了關(guān)于探頭端的平移運(yùn)動(dòng)的說(shuō)明，但是要理解的是，測(cè)量的失真也可能來(lái)自于探頭端的角度運(yùn)動(dòng)。
[0075]因此，本發(fā)明的校正方法補(bǔ)償了在計(jì)算真實(shí)風(fēng)速時(shí)探頭端的平移和/或角度運(yùn)動(dòng)，特別是例如水平分量或3D笛卡爾風(fēng)速矢量的矢量分量。換句話(huà)說(shuō)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行的校正方法可以采用從運(yùn)動(dòng)探測(cè)器接收到的數(shù)據(jù)以補(bǔ)償風(fēng)速測(cè)量結(jié)果。具體地說(shuō)，可以從所測(cè)量的風(fēng)速中減去一維、二維或三維的探頭端的平移運(yùn)動(dòng)以計(jì)算真實(shí)風(fēng)速。
[0076]使用來(lái)自運(yùn)動(dòng)探測(cè)器的輸入，并使用運(yùn)動(dòng)方程，校正方法可以構(gòu)造變換矩陣，其中對(duì)于探頭端的給定位置，可以確定固定坐標(biāo)系中的測(cè)量位置(3D定位)。總的變換矩陣依賴(lài)于可具有一個(gè)或多個(gè)固定分量的光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備的幾何形狀，如錐角度和傳感器位置。矩陣可以具有一個(gè)或多個(gè)變量，包括旋轉(zhuǎn)和測(cè)量高度?？稍诳臻g中，優(yōu)選在固定的坐標(biāo)系統(tǒng)中，確定測(cè)量的位置。坐標(biāo)系的示意圖示于圖7，其中呈現(xiàn)運(yùn)動(dòng)探測(cè)器的測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)，其位于探頭端30內(nèi)，并且示出可能出現(xiàn)的側(cè)滾32、俯仰34和搖擺或橫擺36運(yùn)動(dòng)所圍繞的軸線(xiàn)。還示出的是分別在西(W)、南(S)、北(N)和東(E)處的四個(gè)分離的徑向視線(xiàn)束位置15，15"，15"，15’ 〃， 每個(gè)用以確定分離的風(fēng)速測(cè)量。
[0077]廣義上的典型的變換矩陣形成呈現(xiàn)在公式I中，其中是參考A的坐標(biāo)系B的
旋轉(zhuǎn)矩陣，rli是參考B的坐標(biāo)系C的旋轉(zhuǎn)矩陣。這些矩陣相乘iR * 來(lái)獲得參考A
的C的關(guān)系。aP和bP是將坐標(biāo)系的原點(diǎn)與參考系相關(guān)的矢量X、y、z的轉(zhuǎn)換。
[0078]
【權(quán)利要求】
1.一種用于風(fēng)速測(cè)量的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定光探測(cè)和測(cè)距設(shè)備(100)，1^-1^1041?，其包括: 穩(wěn)定器單元(25)，其具有用于連接到激光雷達(dá)LIDAR(IO)的探頭端(30)和用于連接到浮動(dòng)平臺(tái)(80)的基部端(40)，該穩(wěn)定器單元(25)配置用于將基部端(40)的運(yùn)動(dòng)至少部分地與探頭端(30)隔離； LIDAR(IO)，其以固定的方式連接至探頭端(40)； 運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，其與探頭端(40)具有固定的關(guān)系； 該MS-LIDAR(100)被布置成在一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積處執(zhí)行風(fēng)速測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述穩(wěn)定器單元(25)被布置成將基部端(40)的俯仰、側(cè)滾和搖擺或橫擺運(yùn)動(dòng)中的一個(gè)或多個(gè)至少部分地與探頭端(30)隔離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)被布置成測(cè)量探頭端(30)的俯仰、側(cè)滾和搖擺或橫擺運(yùn)動(dòng)中的一個(gè)或多個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述遠(yuǎn)程探頭體積相對(duì)于基部端(40)處于未知位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的MS-LIDAR(100)，其中所述LIDAR(IO)是脈沖波LIDAR和可選地是掃描LIDAR。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述穩(wěn)定器單元(25)包括平衡環(huán)機(jī)構(gòu)或常平環(huán)機(jī)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一所述的MS-LIDAR(100)，還設(shè)有處理器(60)，所述處理器(60)被配置成利用從運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算在一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積處的風(fēng)速和探頭體積相對(duì)于空間中固定點(diǎn)的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述處理器被配置成利用被應(yīng)用至從LIDAR(IO)和運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)獲得的數(shù)據(jù)的校正方法計(jì)算風(fēng)速測(cè)量結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述校正方法包括以下步驟: -從所述運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)獲得關(guān)于探頭端(30)的搖擺或橫擺和可選地平移運(yùn)動(dòng)的信息； -以規(guī)則的時(shí)間間隔由運(yùn)動(dòng)探測(cè)器信息計(jì)算變換矩陣以計(jì)算探頭端(30)的位置，其中時(shí)間間隔由探頭端(30)的最大角度搖擺或橫擺運(yùn)動(dòng)確定； -從變換矩陣獲得探頭端(30)的移動(dòng)軌跡； -校正探頭端(30)的移動(dòng)軌跡的通過(guò)LIDAR獲得的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的MS-LIDAR(IOO)，其中以規(guī)則的時(shí)間間隔計(jì)算所述變換矩陣，使得通過(guò)運(yùn)動(dòng)探測(cè)器在探頭端(30)處探測(cè)到的最大角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在側(cè)滾、俯仰和搖擺或橫擺中的任一個(gè)不超過(guò)I度，或者其中每秒計(jì)算所述變換矩陣2至9次。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的MS-LIDAR(100)，其中所述校正方法包括: -獲得用于多個(gè)測(cè)量視線(xiàn)(15、15’_圖8)的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果，其中一個(gè)測(cè)量視線(xiàn)包括沿著測(cè)量風(fēng)速的視線(xiàn)的不同測(cè)量高度(LoSHl’、LoSH2’、LoSH3’、LoSH4’、LoSH5’)處的多個(gè)遠(yuǎn)程探頭體積； -通過(guò)插值法生成用于所述測(cè)量視線(xiàn)(15’)的兩個(gè)或多個(gè)所述遠(yuǎn)程探頭體積之間的風(fēng)速數(shù)據(jù)； -從插值的風(fēng)速數(shù)據(jù)和來(lái)自運(yùn)動(dòng)探測(cè)器(50)的數(shù)據(jù)計(jì)算作為多個(gè)測(cè)量視線(xiàn)(15、15’)中的至少兩個(gè)的大氣高度的函數(shù)的風(fēng)速。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中任一所述的MS-LIDAR(IOO)，其中所述處理器還被配置成利用至少三個(gè)不同視線(xiàn)束方向計(jì)算在三維笛卡爾坐標(biāo)系中的風(fēng)速矢量。
13.一種MS-LIDAR系統(tǒng)(200)，包括連接至浮動(dòng)平臺(tái)(80)的根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一所述的 MS-LIDAR(100)。
14.一種用于風(fēng)速測(cè)量的方法，包括使用根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一所述的MS-LIDAR (1 00)和 MS-LIDAR 系統(tǒng)(200)。
【文檔編號(hào)】G01S17/95GK104011562SQ201180075183
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2011年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月29日
【發(fā)明者】托馬斯·達(dá)菲, 安森奈斯?fàn)査埂に沟俜抑Z斯·基里亞齊斯, 德克·德弗里恩特, 沃納·科普依 申請(qǐng)人:富麗達(dá)公司