用于遠(yuǎn)程風(fēng)感測的方法、裝置和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于遠(yuǎn)程風(fēng)感測的方法、裝置和系統(tǒng)。其中一種激光風(fēng)速計(jì)，包括：可調(diào)諧激光器；掃描儀，從所述可調(diào)諧激光器接收輸出，并在各個(gè)掃描方向提供激光束輸出；以及至少一個(gè)探測器，用于從反向散射的激光束輸出中接收信號。
【專利說明】用于遠(yuǎn)程風(fēng)感測的方法、裝置和系統(tǒng)
[0001] 本申請是申請日為2010年9月28日、申請?zhí)枮?01080043382. 6、發(fā)明名稱為"用 于遠(yuǎn)程風(fēng)感測的方法、裝置和系統(tǒng)"的專利申請的分案申請，其全部內(nèi)容結(jié)合于此作為參 考。
[0002] 關(guān)聯(lián)申請的參考
[0003] 本發(fā)明參考以下申請：2009年9月28日提交的題為"Method, Devices, and Systems for Remote Wind Sensing(用于遠(yuǎn)程風(fēng)感測的方法、裝置和系統(tǒng)）"的美國臨時(shí)專 利申請系列號 61/246, 174 ;2009 年 12 月 13 日提交的題為"Method, Devices, and Systems for Remote Wind Sensing"的美國臨時(shí)專利申請系列號61/285,991 ;2010年6月7日提 交的題為"Method, Devices, and Systems for Remote Wind Sensing 的美國臨時(shí)專利申請 系列號61/351，976;以及2010年6 月 8 日提交的題為" Method，Devices, and Systems for Remote Wind Sensing" 的美國臨時(shí)專利申請系列號 61/352, 396。根據(jù) 37CFR1. 78(a) (4) 和（5) (i)，所述專利申請的公開內(nèi)容以引用方式結(jié)合于此，并且本發(fā)明要求所述專利申請 的優(yōu)先權(quán)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004] 本發(fā)明涉及用于監(jiān)控風(fēng)特性的系統(tǒng)和方法，特別用在風(fēng)輪機(jī)裝置中。

【背景技術(shù)】
[0005] 以下公開文獻(xiàn)被認(rèn)為是代表目前的技術(shù)水平，納入本文作為參考：
[0006] 美國專利 6, 320, 272、5, 796, 471、7, 311，000、6, 946, 751、7, 342, 323、7, 221，438、 7, 281，891、6, 646, 725、7, 391，506、6, 687, 036 和 4, 651，017 ;
[0007] 美國公開專利申請 2007/0158493、2008/0210881、2009/0099702 和 2009/0046289 ；
[0008] 日本專利 JPll27l35〇 和 JPlll33〇49 ;
[0009] Journal of Applied Meteorology (應(yīng)用氣象學(xué)雜志）40:1331-1346 (2001)中 Mayor等人的 Two-Dimensional Vector Wind Field from Volume Imaging Lidar Data(來 自容積成像雷達(dá)數(shù)據(jù)的二維向量風(fēng)場）；
[0010] Journal of Ggeophysical Research (地球物理學(xué)研究雜志）100:25559-25567 中 Piironen等人的Accuracy Analysis of Wind Profiled Calculated from Volume Imaging Lidar Data(根據(jù)容積成像雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算的風(fēng)速輪廓線的精度分析）；以及
[0011] 風(fēng)力工程 13:1-15 中 Vaughn等人的Laser Doppler Velocimetry Applied to the Measurement of Local and Global Wind(用于測量局地風(fēng)和全球風(fēng)的激光多普勒測速）。
[0012] 邊界層氣象學(xué) 101:305-328,2001 中 William Τ· Buttler 等人的 Remote sensing of three dimensional winds with elastic Lidar:explanation of maximum cross-correlation method(利用彈性雷達(dá)進(jìn)行三維風(fēng)遠(yuǎn)程感應(yīng)：最大互關(guān)聯(lián)聯(lián)法的解 釋）。
[0013] 日本應(yīng)用物理雜志，第29卷，第2期，1990年2月，pp. 441-444中Ichiro Matsui 等人的Wind Profiling by a conical-scanning time correlation Lidar(利用維形掃描 時(shí)間關(guān)聯(lián)雷達(dá)的風(fēng)速輪廓線）。
[0014] 日本應(yīng)用物理雜志，第37(1998)卷，pp. 5598-560中Nobuo Sugimoto等人的 An improved method for wind measurement with a conical-scanning correlation Lidar (利用錐形掃描關(guān)聯(lián)雷達(dá)測量風(fēng)速的改進(jìn)方法）。
[0015] 應(yīng)用光學(xué)，第 20 卷，第 23 期，ρρ·4073-4081(1981)中 Ting-i Wang、G.R.0chs 和 R. S. Lawrence 的 Wind measurements by the temporal cross-correlation of the optical scintillations (利用光閃爍的瞬時(shí)互關(guān)聯(lián)聯(lián)測量風(fēng)速。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明力圖提供用于監(jiān)控風(fēng)特性的改進(jìn)系統(tǒng)和方法，特別用于風(fēng)輪機(jī)裝置。
[0017] 因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，提供了 一種用于監(jiān)控一定容積內(nèi)的風(fēng)特性 的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：多個(gè)非相干激光風(fēng)速計(jì)，用于測量位于所述容積內(nèi)的多個(gè)對應(yīng)子容 積中的風(fēng)特性；以及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，用于從所述多個(gè)非相干激光風(fēng)速計(jì)中接收數(shù)據(jù)，以及 提供表示所述容積中的風(fēng)特性的輸出數(shù)據(jù)。
[0018] 優(yōu)選地，所述多個(gè)非相干激光風(fēng)速計(jì)和所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)用于以每秒至少一次 的更新率提供所述容積內(nèi)的三維風(fēng)速向量。另外，所述系統(tǒng)還包括建模功能，用于計(jì)算多個(gè) 風(fēng)輪機(jī)的最大輸出功率和最佳位置。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，還提供了一種激光風(fēng)速計(jì)，所述激光風(fēng)速計(jì)包 括可調(diào)諧激光器、從所述可調(diào)諧激光器中接收輸出且在各個(gè)掃描方向提供激光束輸出的掃 描儀、以及用于從反向散射激光束輸出中接收信號的至少一個(gè)探測器。
[0020] 優(yōu)選地，所述可調(diào)諧激光器為波長可調(diào)諧激光器，所述掃描儀為波長響應(yīng)掃描儀， 其在多個(gè)波長下接收所述輸出，并根據(jù)所述多個(gè)波長在各個(gè)掃描方向提供所述激光束輸 出。另外，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括用于給所述可調(diào)諧激光器提供定時(shí)控制輸出的風(fēng)速計(jì)傳 輸控制器。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述控制輸出包括可調(diào)諧激光器的脈沖輸出的功 率電平、時(shí)間和波長。另外，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括光學(xué)放大器。附加地或可替代地，所述 激光風(fēng)速計(jì)還包括耦接至所述可調(diào)諧激光器的波分多路復(fù)用器。
[0022] 可替代地，所述至少一個(gè)探測器包括探測器陣列。附加地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括 濾光器。優(yōu)選地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括用于使所述至少一個(gè)探測器接收的信號相互關(guān)聯(lián) 的關(guān)聯(lián)電路。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，進(jìn)一步提供了一種激光風(fēng)速計(jì)，所述激光風(fēng)速 計(jì)包括：激光器；光學(xué)開關(guān)，對控制信號做出響應(yīng)，以便于在各個(gè)掃描方向提供激光束，當(dāng) 撞擊在大氣中的粒子上時(shí)所述激光束具有非相干性；以及至少一個(gè)探測器，用于從非相干 的反向散射激光束輸出中接收信號。附加地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括光學(xué)放大器?？商娲?地，所述至少一個(gè)探測器包括探測器陣列。優(yōu)選地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括濾光器。優(yōu)選地， 所述激光風(fēng)速計(jì)還包括用于使所述至少一個(gè)探測器接收的信號相互關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)電路。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，進(jìn)一步提供了一種激光風(fēng)速計(jì)，所述激光風(fēng)速 計(jì)包括：激光器；光學(xué)開關(guān)，所述光學(xué)開關(guān)不具有活動部分且對控制信號做出響應(yīng)，以便于 在各個(gè)掃描方向提供激光束輸出；以及至少一個(gè)探測器，用于從反向散射激光束輸出中接 收信號。優(yōu)選地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括光學(xué)放大器?？商娲?，所述至少一個(gè)探測器包括 探測器陣列。優(yōu)選地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括濾光器。優(yōu)選地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括用于 使所述至少一個(gè)探測器接收的信號相互關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)電路。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，進(jìn)一步提供了一種激光風(fēng)速計(jì)，所述激光風(fēng)速 計(jì)包括：激光器;MEMS光學(xué)開關(guān)，其對控制信號做出響應(yīng)以便于在各個(gè)掃描方向提供激光 束輸出；以及至少一個(gè)探測器，用于從反向散射激光束輸出中接收信號。優(yōu)選地，所述激光 風(fēng)速計(jì)還包括光學(xué)放大器?？商娲?，所述至少一個(gè)探測器包括探測器陣列。優(yōu)選地，所述 激光風(fēng)速計(jì)還包括濾光器。優(yōu)選地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括用于使所述至少一個(gè)探測器接 收的信號相互關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)電路。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，進(jìn)一步提供了一種激光風(fēng)速計(jì)，所述激光風(fēng)速 計(jì)包括：激光器；激光束分離器，用于在多個(gè)掃描方向同時(shí)提供激光束輸出；以及多個(gè)探測 器，用于從所述激光束輸出的反向散射中接收信號。優(yōu)選地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括光學(xué)放 大器。優(yōu)選地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括濾光器。優(yōu)選地，所述激光風(fēng)速計(jì)還包括用于使所述 探測器接收的信號相互關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)電路。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，進(jìn)一步提供了一種用于控制多個(gè)風(fēng)輪機(jī)的運(yùn) 行的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：多個(gè)風(fēng)速計(jì)，用于測量至少多個(gè)位置處的風(fēng)特性；數(shù)據(jù)處理子系 統(tǒng)，用于從所述多個(gè)風(fēng)速計(jì)中接收數(shù)據(jù)且提供表示所述多個(gè)位置處的所述風(fēng)特性的輸出數(shù) 據(jù)；以及控制子系統(tǒng)，從所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)接收所述輸出數(shù)據(jù)且將風(fēng)輪機(jī)控制信號提供 給至少基本靠近所述多個(gè)位置的多個(gè)風(fēng)輪機(jī)。
[0028] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述多個(gè)風(fēng)速計(jì)包括多個(gè)激光風(fēng)速計(jì)。優(yōu)選地，所 述多個(gè)激光風(fēng)速計(jì)包括至少一個(gè)非相干激光風(fēng)速計(jì)。附加地，所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)通過無 線通信鏈路從所述多個(gè)風(fēng)速計(jì)接收所述數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，所述多個(gè)風(fēng)速計(jì)包括沿水平方向定 向的至少一個(gè)風(fēng)速計(jì)。附加地，所述多個(gè)風(fēng)速計(jì)包括沿堅(jiān)直方向定向的至少一個(gè)風(fēng)速計(jì)。
[0029] 優(yōu)選地，所述風(fēng)輪機(jī)控制信號包括轉(zhuǎn)子對準(zhǔn)信號、葉片間距信號和轉(zhuǎn)子鎖定信號 的中的至少一個(gè)。附加地，所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)用于以每秒至少一次的更新率接收數(shù)據(jù)，并 且所述控制子系統(tǒng)用于以每秒一次與幾分鐘一次之間的更新率提供所述風(fēng)輪機(jī)控制信號。 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)用于進(jìn)行空氣動力學(xué)計(jì)算，以提供所述數(shù)據(jù)輸出。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，還提供了一種用于監(jiān)控風(fēng)速的激光風(fēng)速計(jì)系 統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：至少一個(gè)激光器，從至少一個(gè)位置向外引導(dǎo)至少一個(gè)激光照明束；至少 一個(gè)激光照明接收器，從與所述至少一個(gè)位置相距不同距離的大氣中的粒子接收所述激光 照明的反射；以及關(guān)聯(lián)電路，用于使來自所述至少一個(gè)激光照明反射的輸出相互關(guān)聯(lián)，所述 輸出表示來自與所述至少一個(gè)位置相距不同距離的不同粒子的反射，從而提供沿接近所述 位置的至少一個(gè)方向的風(fēng)速的輸出指示。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述關(guān)聯(lián)電路用于產(chǎn)生關(guān)聯(lián)圖表。優(yōu)選地，所述關(guān) 聯(lián)圖表為關(guān)聯(lián)函數(shù)C(t)圖表，其數(shù)學(xué)描述為：
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種激光風(fēng)速計(jì)，包括： 可調(diào)諧激光器； 掃描儀，從所述可調(diào)諧激光器接收輸出，并在各個(gè)掃描方向提供激光束輸出；以及 至少一個(gè)探測器，用于從反向散射的激光束輸出中接收信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光風(fēng)速計(jì)，其特征在于，所述可調(diào)諧激光器為波長可調(diào)諧 激光器，所述掃描儀為波長響應(yīng)掃描儀，在多個(gè)波長下接收所述輸出，并根據(jù)所述多個(gè)波長 在各個(gè)掃描方向提供所述激光束輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括用于給所述可調(diào)諧激光器提供定時(shí)控制 輸出的風(fēng)速計(jì)傳輸控制器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光風(fēng)速計(jì)，其特征在于，所述控制輸出包括所述可調(diào)諧激 光器的脈沖輸出的功率電平、時(shí)間和波長。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括光學(xué)放大器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括與所述可調(diào)諧激光器耦接的波分多路復(fù) 用器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光風(fēng)速計(jì)，其特征在于，所述至少一個(gè)探測器包括探測器 陣列。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括濾光器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括用于使所述至少一個(gè)探測器接收的信號 相互關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)電路。
10. -種激光風(fēng)速計(jì)，包括： 激光器； 光學(xué)開關(guān)，對控制信號做出響應(yīng)，以便在各個(gè)掃描方向提供激光束，當(dāng)所述激光束撞擊 在大氣中的粒子上時(shí)具有非相干性；以及 至少一個(gè)探測器，用于從非相干的反向散射的激光束輸出中接收信號。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括光學(xué)放大器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光風(fēng)速計(jì)，其特征在于，所述至少一個(gè)探測器包括探測 器陣列。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括濾光器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括用于使所述至少一個(gè)探測器接收的信 號相互關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)電路。
15. -種激光風(fēng)速計(jì)，包括： 激光器； 光學(xué)開關(guān)，所述光學(xué)開關(guān)不具有活動部分且對控制信號做出響應(yīng)以便在各個(gè)掃描方向 提供激光束輸出；以及 至少一個(gè)探測器，用于從反向散射的激光束輸出中接收信號。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括光學(xué)放大器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光風(fēng)速計(jì)，其特征在于，所述至少一個(gè)探測器包括探測 器陣列。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括濾光器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括用于使所述至少一個(gè)探測器接收的信 號相互關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)電路。
20. -種激光風(fēng)速計(jì)，包括： 激光器； MEMS光學(xué)開關(guān)，所述MEMS光學(xué)開關(guān)對控制信號做出響應(yīng)以便于在各個(gè)掃描方向提供 激光束輸出；以及 至少一個(gè)探測器，用于從反向散射的激光束輸出中接收信號。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括光學(xué)放大器。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的激光風(fēng)速計(jì)，其特征在于，所述至少一個(gè)探測器包括探測 器陣列。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括濾光器。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括用于使所述至少一個(gè)探測器接收的信 號相互關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)電路。
25. -種激光風(fēng)速計(jì)，包括： 激光器； 激光束分離器，用于在多個(gè)掃描方向同時(shí)提供激光束輸出；以及 多個(gè)探測器，用于從所述激光束輸出的反向散射中接收信號。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括光學(xué)放大器。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括濾光器。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的激光風(fēng)速計(jì)，還包括用于使所述探測器接收的信號相互關(guān) 聯(lián)的關(guān)聯(lián)電路。
29. -種用于監(jiān)控風(fēng)速的激光風(fēng)速計(jì)系統(tǒng)，包括： 至少一個(gè)激光器，從至少一個(gè)位置向外引導(dǎo)激光照明的至少一個(gè)束； 至少一個(gè)激光照明接收器，從位于距所述至少一個(gè)位置不同距離的大氣中的粒子接收 所述激光照明的反射；以及 關(guān)聯(lián)電路，用于使來自所述至少一個(gè)激光照明的輸出相互關(guān)聯(lián)，所述輸出表示來自與 所述至少一個(gè)位置相距所述不同距離的不同粒子的反射，從而提供沿接近所述位置的至少 一個(gè)方向的風(fēng)速的輸出指不。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的用于監(jiān)控風(fēng)速的激光風(fēng)速計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述關(guān)聯(lián) 電路用于產(chǎn)生關(guān)聯(lián)圖。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的用于監(jiān)控風(fēng)速的激光風(fēng)速計(jì)系統(tǒng)，其特征在于，所述關(guān)聯(lián) 圖為關(guān)聯(lián)函數(shù)C(t)圖，其數(shù)學(xué)描述為：
其中： IA和IB分別為隨時(shí)間而變的來自空間位置A和B的反射激光束的強(qiáng)度； h表示記錄反射樣本的η個(gè)時(shí)間點(diǎn)的其中之一；和L分別為在η個(gè)時(shí)間點(diǎn)上記錄的 η個(gè)樣本的來自位置Α和Β的平均反射強(qiáng)度；以及 τ為對于其計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)的時(shí)差參數(shù)，τ可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。
32. -種用于監(jiān)控風(fēng)速的激光風(fēng)速計(jì)方法，包括： 利用至少一個(gè)激光器從至少一個(gè)位置向外引導(dǎo)激光照明的至少一個(gè)束； 利用至少一個(gè)激光照明接收器從位于距所述至少一個(gè)位置不同距離的大氣中的粒子 接收所述激光照明的反射；以及 利用關(guān)聯(lián)電路使來自所述至少一個(gè)激光照明的輸出相互關(guān)聯(lián)，所述輸出表示來自與所 述至少一個(gè)位置相距所述不同距離的不同粒子的反射，從而提供沿接近所述位置的至少一 個(gè)方向的風(fēng)速的輸出指示。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的用于監(jiān)控風(fēng)速的激光風(fēng)速計(jì)方法，其特征在于，所述關(guān)聯(lián) 電路用于產(chǎn)生關(guān)聯(lián)圖。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的用于監(jiān)控風(fēng)速的激光風(fēng)速計(jì)方法，其特征在于，所述關(guān)聯(lián) 圖為關(guān)聯(lián)函數(shù)C(t)圖，其數(shù)學(xué)描述為：
其中： IA和IB分別為隨時(shí)間而變的來自空間位置A和B的反射激光束的強(qiáng)度； 心表示記錄反射樣本的η個(gè)時(shí)間點(diǎn)的其中之一；7』和乙分別為在η個(gè)時(shí)間點(diǎn)上記錄的 η個(gè)樣本的來自位置Α和Β的平均反射強(qiáng)度；以及 τ為對于其計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)的時(shí)差參數(shù)，τ可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。
【文檔編號】G01P5/26GK104101731SQ201410318813
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2009年9月28日
【發(fā)明者】薩吉·特薩德卡, 內(nèi)森·塞拉 申請人:噴特路姆科技有限公司