[發明專利]多距離分層測量風場的機艙式激光測風雷達及其測量方法

有效

• 申請號: 201710010915.4
• 申請日: 2017-01-06
• 公開（公告）號: CN106772439B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發明（設計）人: 伍波
• 申請（專利權）人: 前郭爾羅斯蒙古族自治縣岱旭風能有限公司
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95
• 代理公司: 北京中仟知識產權代理事務所(普通合伙) 11825
• 代理人: 韓蓉蓉

1.一種多距離分層測量風場的機艙式激光測風雷達，其特征在于，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)、光纖環形器(5)、光開關(6)、多根光學天線、2×2光纖合束器(13)、平衡光電探測器(14)和信號處理電路(15)；

所述窄線寬種子光源(1)的輸出端與所述光纖放大器(2)的輸入端連接，所述光纖放大器(2)的輸出端與所述光纖分束器(3)的輸入端連接，所述光纖分束器(3)的第一輸出端(31)與所述聲光移頻器(4)的輸入端連接，所述光纖分束器(3)的第二輸出端(32)與所述光纖環形器(5)的第一端口(51)連接，所述聲光移頻器(4)的輸出端與所述2×2光纖合束器(13)的第一輸入端(131)連接，所述光纖環形器(5)的第三端口(53)與所述2×2光纖合束器(13)的第二輸入端(132)連接，所述光纖環形器(5)的第二端口(52)與所述光開關(6)的輸入端連接，所述光開關(6)的多個輸出端口與多根光學天線連接，所述2×2光纖合束器(13)的第一輸出端(133)和第二輸出端(134)與平衡光電探測器(14)的輸入端連接，所述平衡光電探測器(14)的輸出端與信號處理電路(15)連接；

其中，

包括偶數根光學天線，一根光學天線與所述光開關(6)的一個輸出端口連接，上下對稱且傾斜設置的兩根天線為一組，兩根天線與水平方向的夾角相等，每組天線向前方發射出兩路聚焦的測量光束，多組天線將發射的測量光束聚焦到不同的固定距離；

所述多距離分層測量風場的機艙式激光測風雷達的測量方法包括以下步驟：

步驟1，所述窄線寬種子光源(1)產生的本振光通過所述光纖放大器(2)后經所述光纖分束器(3)的第一輸出端(31)進入所述聲光移頻器(4)，再進入所述2×2光纖合束器(13)的第一輸入端(131)；

步驟2，所述窄線寬種子光源(1)產生的信號光通過所述光纖放大器(2)后經所述光纖分束器(3)的第二輸出端(32)進入所述光纖環形器(5)的第一端口(51)，信號光通過所述光纖環形器(5)的第二端口(52)進入所述光開關(6)，所述光開關(6)將輸入信號光切換到任意輸出端口輸出，并通過與該輸出端口對應連接的光學天線發射出去；

步驟3，所述光開關(6)將輸入信號光切換到與步驟2中對稱設置的光學天線對應連接的輸出端口輸出，并通過該對稱設置的光學天線發射出去；

步驟4，兩根對稱設置的天線向前方發射出兩路聚焦的測量光束，

步驟5，兩根光學天線反射產生的多普勒頻移回波信號均沿發射光路返回，并從所述光纖環形器(5)的第三端口(53)輸出，同時，輸出的回波信號進入所述2×2光纖合束器(13)的第二輸入端(132)；

步驟6，每路回波信號與本振光通過所述2×2光纖合束器(13)合束后入射到所述平衡光電探測器(14)上，產生外差信號，并送入所述信號處理電路(15)，根據多普勒原理提取多普勒頻率，得到每路測量光束的徑向風速；

步驟7，通過式(1)～(4)計算得到每組聚焦光束聚焦距離平面上的風速和風向信息；

式中，V_los1和V_los2分別表示兩路光束指向的徑向風速，α表示光束指向與風力發電機組軸線的夾角，φ表示風向與風力發電機組軸線的夾角，W表示沿風力發電機組軸線方向的風速，U表示垂直風力發電機組軸線方向的風場分量，V表示風矢量大??；

步驟8，重復步驟3-7，所述光開關(6)循環往復，將輸入信號光依次切換到每個輸出端口輸出，并通過與每個輸出端口對應連接的光學天線發射出去，多組天線將發射的測量光束聚焦到不同的固定距離，多路多普勒頻移回波信號均沿發射光路返回，并通過所述光纖環形器(5)輸出后進入所述2×2光纖合束器(13)與本振光合束入射到所述平衡光電探測器(14)上，產生多路外差信號，并通過所述信號處理電路(15)提取多個多普勒頻率，分別得到多路測量光束的徑向風速，依次計算得到多組聚焦光束不同聚焦距離平面上的風速和風向信息。

2.根據權利要求1所述的機艙式激光測風雷達，其特征在于，所述窄線寬種子光源(1)輸出1.5μm波長的連續激光，光譜線寬小于200kHz，偏振態為線偏振，單模保偏光纖輸出，輸出光功率為1～100mW。