专利名称：用于远程风感测的方法、装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于监控风特性的系统和方法，特别用在风轮机装置中。
背景技术：
以下公开文献被认为是代表目前的技术水平，纳入本文作为参考美国专利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 ；美国公开专利申请2007/0158493、2008/0210881、2009/0099702 和2009/0046289 ；日本专利JP 11271350 和 JP 11133049 ；Journal of Applied Meteorology (应用气象学杂志)40 :1331-1346 (2001)中Mayor等人的 Two-Dimensional Vector Wind Field from Volume Imaging Lidar Data(来自容积成像雷达数据的二维向量风场)；Journal of Ggeophysical Research(地球物理学研究杂志)100 :25559-25567中 Piironen 等人的 Accuracy Analysis of Wind Profiled Calculated from VolumeImaging Lidar Data(根据容积成像雷达数据计算的风速轮廓线的精度分析)；以及风力工程13 :1-15 中 Vaughn 等人的 Laser Doppler Velocimetry Applied tothe Measurement of Local and Global Wind(用于测量局地风和全球风的激光多普勒测速)。边界层气象学101 :305-328, 2001 中 William T. Buttler 等人的 Remotesensing of three dimensional winds with elastic Lidar !explanation of maximumcross-correlation method(利用弹性雷达进行三维风远程感应最大互关联联法的解释)。日本应用物理杂志，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 (利用维形扫描时间关联雷达的风速轮廓线)。日本应用物理杂志，第37 (1998)卷，pp. 5598-560中Nobuo Sugimoto等人的An improved method for wind measurement with a conical-scanning correlationLidar (利用锥形扫描关联雷达测量风速的改进方法)。应用光学，第20 卷，第 23 期，pp. 4073-4081 (1981)中 Ting-i Wang、G. R. Ochs和 R. S. Lawrence 的 Wind measurements by the temporal cross-correlation of theoptical scintillations (利用光闪烁的瞬时互关联联测量风速。
发明内容
本发明力图提供用于监控风特性的改进系统和方法，特别用于风轮机装置。
因此，根据本发明的一个优选实施例，提供了一种用于监控一定容积内的风特性的系统，所述系统包括多个非相干激光风速计，用于测量位于所述容积内的多个对应子容积中的风特性；以及数据处理子系统，用于从所述多个非相干激光风速计中接收数据，以及提供表示所述容积中的风特性的输出数据。优选地，所述多个非相干激光风速计和所述数据处理子系统用于以每秒至少一次的更新率提供所述容积内的三维风速向量。另外，所述系统还包括建模功能，用于计算多个风轮机的最大输出功率和最佳位置。根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种激光风速计，所述激光风速计包括可调谐激光器、从所述可调谐激光器中接收输出且在各个扫描方向提供激光束输出的扫描仪、以及用于从反向散射激光束输出中接收信号的至少一个探测器。优选地，所述可调谐激光器为波长可调谐激光器，所述扫描仪为波长响应扫描仪，其在多个波长下接收所述输出，并根据所述多个波长在各个扫描方向提供所述激光束输出。另外，所述激光风速计还包括用于给所述可调谐激光器提供定时控制输出的风速计传输控制器。根据本发明的一个优选实施例，所述控制输出包括可调谐激光器的脉冲输出的功率电平、时间和波长。另外，所述激光风速计还包括光学放大器。附加地或可替代地，所述激光风速计还包括耦接至所述可调谐激光器的波分多路复用器。 可替代地，所述至少一个探测器包括探测器阵列。附加地，所述激光风速计还包括滤光器。优选地，所述激光风速计还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种激光风速计，所述激光风速计包括激光器；光学开关，对控制信号做出响应，以便于在各个扫描方向提供激光束，当撞击在大气中的粒子上时所述激光束具有非相干性；以及至少一个探测器，用于从非相干的反向散射激光束输出中接收信号。附加地，所述激光风速计还包括光学放大器。可替代地，所述至少一个探测器包括探测器阵列。优选地，所述激光风速计还包括滤光器。优选地，所述激光风速计还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种激光风速计，所述激光风速计包括激光器；光学开关，所述光学开关不具有活动部分且对控制信号做出响应，以便于在各个扫描方向提供激光束输出；以及至少一个探测器，用于从反向散射激光束输出中接收信号。优选地，所述激光风速计还包括光学放大器。可替代地，所述至少一个探测器包括探测器阵列。优选地，所述激光风速计还包括滤光器。优选地，所述激光风速计还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种激光风速计，所述激光风速计包括激光器;MEMS光学开关，其对控制信号做出响应以便于在各个扫描方向提供激光束输出；以及至少一个探测器，用于从反向散射激光束输出中接收信号。优选地，所述激光风速计还包括光学放大器。可替代地，所述至少一个探测器包括探测器阵列。优选地，所述激光风速计还包括滤光器。优选地，所述激光风速计还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种激光风速计，所述激光风速计包括激光器；激光束分离器，用于在多个扫描方向同时提供激光束输出；以及多个探测器，用于从所述激光束输出的反向散射中接收信号。优选地，所述激光风速计还包括光学放 大器。优选地，所述激光风速计还包括滤光器。优选地，所述激光风速计还包括用于使所述探测器接收的信号相互关联的关联电路。根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种用于控制多个风轮机的运行的系统，所述系统包括多个风速计，用于测量至少多个位置处的风特性；数据处理子系统，用于从所述多个风速计中接收数据且提供表示所述多个位置处的所述风特性的输出数据；以及控制子系统，从所述数据处理子系统接收所述输出数据且将风轮机控制信号提供给至少基本靠近所述多个位置的多个风轮机。根据本发明的一个优选实施例，所述多个风速计包括多个激光风速计。优选地，所述多个激光风速计包括至少一个非相干激光风速计。附加地，所述数据处理子系统通过无线通信链路从所述多个风速计接收所述数据。优选地，所述多个风速计包括沿水平方向定向的至少一个风速计。附加地，所述多个风速计包括沿竖直方向定向的至少一个风速计。优选地，所述风轮机控制信号包括转子对准信号、叶片间距信号和转子锁定信号的中的至少一个。附加地，所述数据处理子系统用于以每秒至少一次的更新率接收数据，并且所述控制子系统用于以每秒一次与几分钟一次之间的更新率提供所述风轮机控制信号。优选地，所述数据处理子系统用于进行空气动力学计算，以提供所述数据输出。根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种用于监控风速的激光风速计系统，所述系统包括至少一个激光器，从至少一个位置向外引导至少一个激光照明束；至少一个激光照明接收器，从与所述至少一个位置相距不同距离的大气中的粒子接收所述激光照明的反射；以及关联电路，用于使来自所述至少一个激光照明反射的输出相互关联，所述输出表示来自与所述至少一个位置相距不同距离的不同粒子的反射，从而提供沿接近所述位置的至少一个方向的风速的输出指示。根据本发明的一个优选实施例，所述关联电路用于产生关联图表。优选地，所述关联图表为关联函数C(T)图表，其数学描述为
#[I,二 i) ■■ IJliJt.)…/-I
C(r) =其中
14和Ib分别为随时间而变的来自空间中的位置A和B的反射激光束的强度；\表示记录反射样值的η个时间点的其中之一 ；7d和7S分别为在η个时间点上记录的η个样值的位置A和B的平均反射强度；以及τ为对于其计算关联函数的时差参数，τ可为正数或负数。根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种用于监控一定容积内的风特性的方法，所述方法包括利用多个非相干激光风速计来测量位于所述容积内的多个相应子容积中的风特性，并利用数据处理子系统从所述多个非相干激光风速计中接收数据以及提供表示所述容积中的风特性的输出数据。优选地，所述多个非相干激光风速计和所述数据处理子系统用于以每秒至少一次的更新率提供所述容积内的三维风速向量。另外，所述方法还包括计算多个风轮机的最大输出功率和最佳位置。根据本发明的另一个优选实施例，进一步提供了一种用于控制多个风轮机的运行的方法，所述方法包括利用多个风速计来测量至少多个位置处的风特性；利用数据处理子系统从所述多个风速计接收数据以及提供表示所述多个位置处的所述风特性的输出数据；以及利用控制子系统从所述数据处理子系统接收所述输出数据，且将风轮机控制信号提供给至少基本靠近所述多个位置的多个风轮机。根据本发明的一个优选实施例，所述多个风速计包括多个激光风速计。优选地，所述多个激光风速计包括至少一个非相干激光风速计。附加地，所述数据处理子系统通过无线通信链路从所述多个风速计接收所述数据。优选地，所述多个风速计包括沿水平方向定向的至少一个风速计。附加地，所述多个风速计包括沿竖直方向定向的至少一个风速计。优选地，所述风轮机控制信号包括转子对准信号、叶片间距信号和转子锁定信号的中的至少一个。附加地，所述数据处理子系统用于以每秒至少一次的更新率接收数据，所述控制子系统用于以每秒一次与几分钟一次的更新率提供所述风轮机控制信号。优选地，所述数据处理子系统用于进行空气动力学计算以提供所述数据输出。根据本发明的另一个优选实施例，还提供了一种用于监控风速的激光风速计方法，所述方法包括利用至少一个激光器从至少一个位置向外引导至少一个激光照明束；利用至少一个激光照明接收器从与所述至少一个位置相距不同距离的大气粒子中接收所述激光照明的反射；以及利用关联电路使来自所述至少一个激光照明的输出相互关联，所述输出表示来自与所述至少一个位置相距不同距离的位置的反射，从而提供沿接近所述位置的至少一个方向的风速的输出指示。根据本发明的一个优选实施例，所述关联电路用于产生关联图表。优选地，所述关联图表为关联函数C(T)图表，其数学描述为
权利要求
1.ー种用于监控一定容积内的风特性的系统，包括 多个非相干激光风速计，用于测量位于所述容积内的多个相应子容积中的风特性；以及 数据处理子系统，用于从所述多个非相干激光风速计接收数据且提供表示所述容积中的所述风特性的输出数据。
2.根据权利要求I所述的用于监控一定容积内的风特性的系统，其特征在于，所述多个非相干激光风速计和所述数据处理子系统用于以每秒至少一次的更新率提供所述容积内的三维风速向量。
3.根据权利要求I所述的用于监控一定容积内的风特性的系统，还包括建模功能，用于计算多个风轮机的最大输出功率和最佳位置。
4.一种激光风速计,包括 可调谐激光器； 扫描仪，从所述可调谐激光器接收输出，并在各个扫描方向提供激光束输出；以及 至少ー个探測器，用于从反向散射的激光束输出中接收信号。
5.根据权利要求4所述的激光风速计，其特征在于，所述可调谐激光器为波长可调谐激光器，所述扫描仪为波长响应扫描仪，在多个波长下接收所述输出，井根据所述多个波长在各个扫描方向提供所述激光束输出。
6.根据权利要求4所述的激光风速计，还包括用于给所述可调谐激光器提供定时控制输出的风速计传输控制器。
7.根据权利要求4所述的激光风速计，其特征在于，所述控制输出包括所述可调谐激光器的脉冲输出的功率电平、时间和波长。
8.根据权利要求4所述的激光风速计，还包括光学放大器。
9.根据权利要求4所述的激光风速计，还包括与所述可调谐激光器耦接的波分多路复用器。
10.根据权利要求4所述的激光风速计，其特征在于，所述至少一个探测器包括探測器阵列。
11.根据权利要求4所述的激光风速计，还包括滤光器。
12.根据权利要求4所述的激光风速计，还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。
13.—种激光风速计,包括 激光器； 光学开关，对控制信号做出响应，以便在各个扫描方向提供激光束，当所述激光束撞击在大气中的粒子上时具有非相干性；以及 至少ー个探測器，用于从非相干的反向散射的激光束输出中接收信号。
14.根据权利要求13所述的激光风速计，还包括光学放大器。
15.根据权利要求13所述的激光风速计，其特征在于，所述至少一个探测器包括探測器阵列。
16.根据权利要求13所述的激光风速计，还包括滤光器。
17.根据权利要求13所述的激光风速计，还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。
18.—种激光风速计,包括 激光器； 光学开关，所述光学开关不具有活动部分且对控制信号做出响应以便在各个扫描方向提供激光束输出；以及 至少ー个探測器，用于从反向散射的激光束输出中接收信号。
19.根据权利要求18所述的激光风速计，还包括光学放大器。
20.根据权利要求18所述的激光风速计，其特征在于，所述至少一个探测器包括探測器阵列。
21.根据权利要求18所述的激光风速计，还包括滤光器。
22.根据权利要求18所述的激光风速计，还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。
23.—种激光风速计,包括 激光器； MEMS光学开关,所述MEMS光学开关对控制信号做出响应以便于在各个扫描方向提供激光束输出；以及 至少ー个探測器，用于从反向散射的激光束输出中接收信号。
24.根据权利要求23所述的激光风速计，还包括光学放大器。
25.根据权利要求23所述的激光风速计，其特征在干，所述至少一个探测器包括探測器阵列。
26.根据权利要求23所述的激光风速计，还包括滤光器。
27.根据权利要求23所述的激光风速计，还包括用于使所述至少一个探测器接收的信号相互关联的关联电路。
28.—种激光风速计,包括 激光器； 激光束分离器，用于在多个扫描方向同时提供激光束输出；以及 多个探测器，用于从所述激光束输出的反向散射中接收信号。
29.根据权利要求28所述的激光风速计，还包括光学放大器。
30.根据权利要求28所述的激光风速计，还包括滤光器。
31.根据权利要求28所述的激光风速计，还包括用于使所述探测器接收的信号相互关联的关联电路。
32.一种用于控制多个风轮机的运行的系统，包括 多个风速计，用于测量至少多个位置处的风特性； 数据处理子系统，用于从所述多个风速计接收数据且提供表示所述多个位置处的所述风特性的输出数据；以及 控制子系统，从所述数据处理子系统接收所述输出数据且提供风轮机控制信号给至少基本靠近所述多个位置布置的多个风轮机。
33.根据权利要求32所述的用于控制多个风轮机的运行的系统，其特征在于，所述多个风速计包括多个激光风速计。
34.根据权利要求33所述的用于控制多个风轮机的运行的系统，其特征在于，所述多个激光风速计包括至少ー个非相干激光风速计。
35.根据权利要求32所述的用于控制多个风轮机的运行的系统，其特征在于，所述数据处理子系统通过无线通信链路从所述多个风速计接收所述数据。
36.根据权利要求32所述的用于控制多个风轮机的运行的系统，其特征在于，所述多个风速计包括沿水平方向定向的至少ー个风速计。
37.根据权利要求32所述的用于控制多个风轮机的运行的系统，其特征在于，所述多个风速计包括沿竖直方向定向的至少ー个风速计。
38.根据权利要求32所述的用于控制多个风轮机的运行的系统，其特征在于，所述风轮机控制信号包括转子对准信号、叶片间距信号和转子锁定信号中的至少ー个。
39.根据权利要求38所述的用于控制多个风轮机的运行的系统，其特征在于 所述数据处理子系统用于以每秒至少一次的更新率接收所述数据；并且 所述控制子系统用于以每秒一次至几分钟一次之间的更新率提供所述风轮机控制信号。
40.根据权利要求32所述的用于控制多个风轮机的运行的系统，其特征在于，所述数据处理子系统用于执行空气动力学计算以提供所述数据输出。
41.一种用于监控风速的激光风速计系统，包括 至少ー个激光器，从至少ー个位置向外引导激光照明的至少ー个束； 至少ー个激光照明接收器，从位于距所述至少ー个位置不同距离的大气中的粒子接收所述激光照明的反射；以及 关联电路，用于使来自所述至少ー个激光照明的输出相互关联，所述输出表示来自与所述至少ー个位置相距所述不同距离的不同粒子的反射，从而提供沿接近所述位置的至少ー个方向的风速的输出指不。
42.根据权利要求41所述的用于监控风速的激光风速计系统，其特征在于，所述关联电路用于产生关联图。
43.根据权利要求42所述的用于监控风速的激光风速计系统，其特征在干，所述关联图为关联函数C(T)图，其数学描述为其中 Ia和Ib分别为随时间而变的来自空间位置A和B的反射激光束的強度；ti表示记录反射样本的η个时间点的其中之一 ；Zj4和Z2J分别为在η个时间点上记录的η个样本的来自位置A和B的平均反射強度；以及 τ为对于其计算关联函数的时差參数，τ可为正数或负数。
44.ー种用于监控一定容积内的风特性的方法，包括 利用多个非相干激光风速计来测量位于所述容积内的多个相应子容积中的风特性；以及 利用数据处理子系统从所述多个非相干激光风速计中接收数据，以提供表示所述容积中的所述风特性的输出数据。
45.根据权利要求44所述的用于监控一定容积内的风特性的方法，其特征在于，所述多个非相干激光风速计和所述数据处理子系统用于以每秒至少一次的更新率提供所述容积内的三维风速向量。
46.根据权利要求44所述的用于监控一定容积内的风特性的方法，还包括计算多个风轮机的最大输出功率和最佳位置。
47.一种用于控制多个风轮机的运行的方法，包括 利用多个风速计来测量至少多个位置处的风特性； 利用数据处理子系统从所述多个风速计接收数据且提供表示所述多个位置处的所述风特性的输出数据；以及 利用控制子系统从所述数据处理子系统接收所述输出数据，且 提供风轮机控制信号给至少基本靠近所述多个位置布置的多个风轮机。
48.根据权利要求47所述的用于控制多个风轮机的运行的方法，其特征在于，所述多个风速计包括多个激光风速计。
49.根据权利要求48所述的用于控制多个风轮机的运行的方法，其特征在于，所述多个激光风速计包括至少ー个非相干激光风速计。
50.根据权利要求47所述的用于控制多个风轮机的运行的方法，其特征在于，所述数据处理子系统通过无线通信链路从所述多个风速计接收所述数据。
51.根据权利要求47所述的用于控制多个风轮机的运行的方法，其特征在于，所述多个风速计包括沿水平方向定向的至少ー个风速计。
52.根据权利要求47所述的用于控制多个风轮机的运行的方法，其特征在于，所述多个风速计包括沿竖直方向定向的至少ー个风速计。
53.根据权利要求47所述的用于控制多个风轮机的运行的方法，其特征在于，所述风轮机控制信号包括转子对准信号、叶片间距信号和转子锁定信号中的至少ー个。
54.根据权利要求53所述的用于控制多个风轮机的运行的方法，其特征在于 所述数据处理子系统用于以每秒至少一次的更新率接收所述数据；并且 所述控制子系统用于以每秒一次至几分钟一次之间的更新率提供所述风轮机控制信号。
55.根据权利要求47所述的用于控制多个风轮机的运行的方法，其特征在于，所述数据处理子系统用于执行空气动力学计算以提供所述数据输出。
56.一种用于监控风速的激光风速计方法，包括 利用至少ー个激光器从至少ー个位置向外引导激光照明的至少ー个束； 利用至少ー个激光照明接收器从位于距所述至少ー个位置不同距离的大气中的粒子接收所述激光照明的反射；以及 利用关联电路使来自所述至少ー个激光照明的输出相互关联，所述输出表示来自与所述至少ー个位置相距所述不同距离的不同粒子的反射，从而提供沿接近所述位置的至少ー个方向的风速的输出指示。
57.根据权利要求56所述的用于监控风速的激光风速计方法，其特征在于，所述关联电路用于产生关联图。
58.根据权利要求57所述的用于监控风速的激光风速计方法，其特征在干，所述关联图为关联函数C(T)图，其数学描述为 c (τ)=.气 ].— 其中 Ia和Ib分别为随时间而变的来自空间位置A和B的反射激光束的強度；ti表示记录反射样本的η个时间点的其中之一 ；和Lj分别为在η个时间点上记录的η个样本的来自位置A和B的平均反射強度；以及 τ为对于其计算关联函数的时差參数，τ可为正数或负数。
全文摘要
一种用于监控一定容积内的风特性的系统，包括多个非相干激光风速计，用于测量位于所述容积内的多个对应子容积中的风特性；以及数据处理子系统，用于从所述多个非相干激光风速计中接收数据并提供表示所述容积中的风特性的输出数据。
文档编号G01P3/36GK102667495SQ201080043382
公开日2012年9月12日 申请日期2010年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者内森·塞拉, 萨吉·特萨德卡 申请人:喷特路姆科技有限公司