一款新型风机分体式测风激光雷达的系统设计

一款新型风机分体式测风激光雷达的系统设计

付廷正

北京怡孚和融科技有限公司 北京 100094

摘要：风机分体式测风激光雷达是一种基于多普勒效应以激光传感技术和测距技术相结合的远程探测器。利用激光的多普勒效应，测量出大气中气溶胶粒子后向散射信号的多普勒频移，可以实现对大气风场的测量。本项目的应用方向为风力发电机前端近距离风场的探测，根据实际应用要求，设计为四光路输出，采用分时发射的方案，可以合成计算出风力发电机轴向水平风速、风向和垂直风速、风向，机械结构上采用分体、微缩的方式，以适应恶劣、复杂多变的环境。

关键词：风机 多普勒效应 测风 激光雷达 风场

绪 论

当前，风电行业面临新形势下的改革需求，主要矛盾是综合成本高，能源利用比低，制约了各地大规模应用，传统电力体制机制已不能适应新能源发展思路。

众所周知，原始传统风机多靠安装在机舱顶部的风速计对风场进行实时测量，将采集到的水平风速和风向传输给主控系统，但是这种方式无法适应风场变化时尤其是突变等情况。

在风能行业，以激光为基础的测风传感器己经成为传感测风设备的一种补充。激光测风雷达的独特之处在于其精确地测量远处的风速和风向的能力。在风还未到达叶片之前就能在机舱的顶部精确地测定风向与风速。有了这些数据,风机就可以根据风况提前调整风机状态，这样必然会带来发电量的上升，同时也减少了风机部件的磨损[1]。

一、整体思路

1、设计定位

本项目应用于风力发电机前端近距离风速和风向的探测，结合目前已有的技术（信号采集技术、软件技术），只对系统设计、光路设计和机械设计详细展现，其他调试、测试部分、附属包装等和非项目设计的部分省略。

本项目采用相干探测的方法进行多普勒频移测定并完成风场的测量，与直接探测的最大不同点在于探测原理的不同。相干探测法是将微弱的多普勒频移信号与较强的本振信号混合在一起通过拍频的方式提取出来，而直接探测法是直接将发射激光回波信号的频率转换为能量的相对变化实现对大气风场多普勒频移的测量[2]。理论上相干探测比直接探测要简单许多，测量数据精准，探测距离远。

2、工作原理

多普勒测风激光雷达是一个基于激光探测和测距技术的远程传感器。

多普勒效应是指，当波源和观测者存在相对运动时，观测者接收到的波的频率发生改变的现象 [3]。大气中包含大量随机分布并且随大气风场运动的气溶胶粒子。脉冲相干测风激光雷达正是利用激光的多普勒效应，测量大气中悬浮的气溶胶粒子的相对运动，实现大气风速的测量[4]。

二、 详细设计

1、系统设计

系统采用分体式的设计方式，这是因为实际应用时风机外的环境十分恶劣，尤其高温、低温会对部分关键元器件造成性能上的不良影响。为了尽量规避外界环境的影响，将雷达分体设计，即一部分在机舱外，一部分在机舱内，让机舱内的部件可以免受外界环境侵扰，同时不会影响任何探测性能。

机舱外的部分称为光学发射器，机舱内的部分称为控制系统，其中望远镜、光束收发耦合系统、激光器以及相关附件置于光学发射器中，安装于风力发电机外壳上；控制单元和软件均由工控机控制，与探测器、放大器、采集卡等均集成在控制系统内，安装于风力发电机舱体内部；光学发射器与控制系统之间由集成线缆相连接。

雷达系统结构是由激光放大器，光路系统，探测器和信号处理单元等组成。激光器输出的连续光经过分束后，一部分作为参考光输入耦合器用于拍频；另一部分调制成激光脉冲后进行功率放大，通过望远镜扩束发散到大气中。气溶胶的后向散射信号经过望远镜，与本振光在合束器处拍频，经过光电探测器转换成电信号，如图2－1所示，雷达系统设计示意图。

图2－1 雷达系统设计示意图

2、光路设计

（1）光路系统设计

在光束的发射与接收上采用了收发同路的结构。光路系统是无实焦基本光学系统，主要是对激光进行扩束，共设有四组相同光路，详见后文结构设计部分展示。切换方式为MEMS光学开关。如图2－2所示，光路结构示意图。

图2－2 光路结构示意图

3、机械设计

（1）光学发射器

光学发射器外观采用玻璃钢外壳，喷进口白色保护漆。底盘设置散热系统，以散热片和防水风扇为主要结构，如图2－3所示，光学发射器机械设计示意图。

图2－3 光学发射器机械设计示意图

光学发射器内部以本色氧化的铝板为基准，根据走线最优、接线最方便的原则，排列了各个元器件，在节约空间的同时又保证了工程装配的可操作性和简便性。主要热源均置于铝制散热片上，中间涂导热硅脂，保证散热效果最佳。为了保证严寒地带也能正常工作，还设计了一套双温控系统，在通常情况下，启动一套温控系统即能保证设备正常运行，仅当在严寒区，同时启动两套温控系统，方可保证设备正常运行。因光学发射器裸露在高空外，还增设了串口防雷器和供电防雷器，以防止电路损毁。

所有与外界相同的接头全部使用优质防水、防尘接头。内部布局要求简单，占空间小，方便操作，如图2－4所示，光学发射器布局原理示意图。

图2－4 光学发射器布局原理示意图

（2）控制系统

控制系统外壳采用铝制外壳，表面喷白色保护漆，与光学发射器颜色一致。固定托采用阳极氧化铝为原料。

控制系统内部设计为双层式结构，这样能保证空间最大化的利用。工控机和采集卡等模块在第一层，探测器，耦合器等模块在第二层，如图2－5所示，控制系统箱体内部结构示意图。

图2－5 控制系统箱体内部结构示意图

控制系统内部需使线路简洁，固定方便，如图2－6所示，控制系统布局原理示意图。

图2－6 控制系统布局原理示意图

（3）支架结构

因光学发射器出光与地平面有一定的夹角，且需要固定在风机顶部，故需要选用一种结实、可升降、可任意变化跨角、耐腐蚀的支架。经过大量选型，最终确定了一款符合要求的支架，并对底脚、支撑部分等做了二次升级设计，以便更好适应本设计对应的激光雷达。

（4）防雷结构

为了对光学发射器进行整机防雷，还设计了防雷笼结构，用于对各方向的雷进行吸纳，通过与一根非常粗的铜制导线相连于大地，可达到防雷目的。

（5）通讯电力线缆设计

光学发射器与控制系统依靠一个特制的屏蔽管相连。管粗30mm，弯折半径大于100mm，可保证内部光纤不折断，可承受200KG以上的压力而不损害，同时，可以防水、放火、防腐蚀，亦可对内部线缆传输的信号进行防屏蔽，管内布置有光纤、通讯线等。

三、仪器样机

1、样机及部件展示

使用机械设计软件完成了所有零部件的设计和三维装配体的构建，如图3－1所示，整体样机设计机械示意图。

图3－1 整体样机设计机械示意图

部分部件实物图，如图3－2所示。

图3－2 控制系统侧面与正面板实物图

2、软件实测显示

经过大量的系统调试工作和不断地实验，应用软件组开发的采集软件，最终得到风场的实测数据，完成了数据实时采集显示，风场数据包括：水平风速、垂直风速、水平风向、风羽图和风玫瑰图等，如图3－5，软件采集实测显示图。

图3－5 软件采集实测显示图

3、技术参数

调试成型的雷达样机技术参数表如表3-1所示。

结 论

经过一年多的努力，基于风机分体式测风激光雷达的研究与设计终于告一段落。从理论研究到方案设计，从装配调试到改进优化，总算取得了点滴的成功。

在本仪器设计过程中，遇到较大的难题有很多，其中，结构设计和信号调试过程颇为耗时。比如，在设计四组光路镜筒时，因每组镜筒不仅与水平面有不同的夹角，各自的垂直投影与中心点也有不同的夹角，所以实际操作中如何清晰、简洁地设计承靠结构就并非易事了；再比如，当取得回收信号与参考信号做差频时，发现回收信号很弱时就无法得出真实的频移，后通过新增了本振衰减器，通过不断试验调节，才得以完成了拍频，得到了真实的风场数据。

虽然取得了点滴进步，但还有很多问题值得我们进一步研究，比如，如何提高数据采集的稳定性？如何将光路调试变成工程化与可视化装调？这些，有待于结合市场需求进一步开发，这也是今后继续完善成果的一个工作方向。未来需要我们不断地努力学习，要敢于主动突破，增强适应性，刻苦钻研，力求创新，实现人生价值。

参考文献

[1] 赵明武.激光雷达测风在风电上的应用［J］.中国科技期刊数据库,2016（08）：0177-0177.

[2]夏海云.基于气溶胶后向散射的双边缘直接探测多普勒测风激光雷达研究[D].苏州：苏州大学,2006.

[3] Fujii T,Fukuchi T.Laser remote sensing[M].NewYork,USA:Taylor&Francis Group,2005.

[4] 贾旭东.1.55μm相干测风激光雷达样机的研制[D].合肥：中国科学技术大学,2015.