专利名称：风速测量系统和方法
技术领域：
一般来说，本文公开的主题涉及风速测量，更具体地说，涉及用于测量风速和风向的基于光的方法和系统。
背景技术：
诸如风轮机控制、机场风切变检测和移动飞行器的风速确定等应用需要进行风速 测量。有几种方法可以测量风速。转杯风速计通过测量转杯的旋转速度来确定本地风速。 可利用无线电检测和测距系统(雷达)、声波检测和测距系统(声雷达)以及光检测和测距 系统(激光雷达)来预先测量本地风速。雷达系统需要复杂的设备且相当昂贵，而声雷达系统的范围则较短且可靠性较 差。激光雷达(光检测和测距)系统通常利用从空中悬浮颗粒反射的激光信号的多普勒偏 移来测量风速。测量由移动颗粒引起的光频率的多普勒偏移需要精密且昂贵的设备来进行 激光传输和多普勒偏移检测。即，需要非常窄的线宽、高稳定激光和光学外差或高分辨率滤 光器。因此，希望提供一种具成本效益且高效的基于光的风速计(windanemometer)来 测量风速。
发明内容
根据本文公开的一个实施例，一种风速计包括光源，用于发送脉冲光信号； 接收器，用于对于所发送的脉冲光信号的每个脉冲接收来自空中悬浮粒子(airborne particle)的反向散射信号；检测器，用于检测所接收的反向散射信号；以及处理器，用于 基于所检测的反向散射信号确定空中悬浮粒子相对于风速计的位置。处理器利用空中悬浮 粒子在至少一个时间间隔内的位置变化来估算风速。根据本文公开的另一实施例，一种用于测量风速的系统包括沿多个方向对准以确 定三维风速的多个风速计。每个风速计包括光源，用于发送脉冲光信号；接收器，用于对 于所发送的脉冲光信号的每个脉冲接收来自空中悬浮粒子的反向散射信号；检测器，用于 检测所接收的反向散射信号；以及处理器，用于基于所检测的反向散射信号确定空中悬浮 粒子相对于风速计的位置，并利用空中悬浮粒子在时间间隔内的位置变化来估算风速。根据本文公开的另一实施例，一种用于测量风速的方法包括发送脉冲光信号； 对于所发送的脉冲光信号的每个脉冲接收来自空中悬浮粒子的反向散射信号；检测所接收 的反向散射信号；以及基于所检测的反向散射信号确定空中悬浮粒子的位置，并利用空中悬浮粒子在时间间隔内的位置变化来估算风速。根据本文公开的另一实施例，一种风速计包括光源，用于发送脉冲光信号；检测 器系统，用于对于所发送的脉冲光信号的每个脉冲接收来自空中悬浮粒子的反向散射信 号，并检测所接收的反向散射信号；以及处理器，用于基于所检测的反向散射信号确定空中 悬浮粒子相对于风速计的位置，并利用空中悬浮粒子在至少一个时间间隔内的位置变化来 估算风速。
当参照附图阅读以下详细描述时，将可更好地理解本发明的这些和其它特征、方 面及优点，附图中类似的字符表示类似的部件，其中图1示出根据本文公开的方面的风速计。图2示出根据本文公开的方面具有独立光路的风速计。图3示出根据本文公开的方面经过处理的反向散射信号的图形表示。图4示出根据本文公开的方面采用扫描机构的风速计。图5示出根据本文公开的方面其中集成了多个风速计的实施例。图6示出根据本文公开的方面经过处理的反向散射信号的图形表示的另一实施 例。图7示出根据本文公开的方面在机舱上安装了风速计的风轮机。图8示出根据本文公开的方面具有风速计的气象桅杆。图9示出根据本文公开的方面用于测量风速的方法的流程图。
具体实施例方式本文公开的实施例包括基于光的风速计和基于光的测量风速的方法。风速计包 括用于发送脉冲光信号的光源；用于接收来自空中悬浮粒子的反向散射信号的接收器； 用于检测所接收的反向散射信号的检测器；以及用于估算风速的处理器。处理器确定空 中悬浮粒子相对于风速计的位置，并利用空中悬浮粒子在时间间隔内的位置变化来估算风 速。除非上下文另外明确指出，否则本文所用的诸如“一”和“该”的单数形式包括复数个 所指对象。图1示出风速计10的实施例。风速计10包括光源12、接收器14、检测器16和处 理器18。光源12适于发送脉冲光信号20。所发送的光信号20的每个脉冲对应于特定时 间。因此，所发送的任何两个光信号20之间存在时间差。在一个实施例中，利用脉冲发光 二极管(LED)作为光源12来发送脉冲光信号。在另一实施例中，脉冲光信号20包括脉冲 激光信号，其中利用激光二极管作为光源。可利用光学元件将脉冲光信号20引向感兴趣区域22。在一个实施例中，第一光 学元件24将相应的脉冲光信号20引向第二光学元件26。第二光学元件26将脉冲光信号 20引向感兴趣区域22。作为实例，第一光学元件24可包括反射板，而第二光学元件26可 包括棱镜或镜子。
所发送的脉冲光信号20的每个脉冲从空中悬浮粒子反向散射。在一个实施例中， 反向散射信号28包括从一定浓度30的空中悬浮粒子32反向散射的信号。接收器14接收对于所发送的脉冲光信号20的每个脉冲的反向散射光信号28。在一个实施例中，接收器 14包括用于接收反向散射光信号28的聚光镜。所发送的脉冲光信号20和所接收的反向散 射信号28共享共同的光路，该光路在图1中表示为虚线之间的那部分。包括第二光学元件26、透镜34和第三光学元件在内的一系列光学元件用于将反 向散射光信号引向检测器。聚集镜接收器14包括用于将反向散射光信号28引向第二光学 元件26的曲率。第二光学元件26将反向散射光信号28引向诸如透镜34的聚焦光学器件 或滤光器。透镜34将反向散射光信号28朝向第三光学元件36聚焦。第三光学元件36将 反向散射光信号28引向检测器16。风速计还可包括透明盖37。在一个实施例(未示出)中，风速计中可以不包括第 一光学元件24和第三光学元件36。光源12可将脉冲光信号20直接发向第二光学元件26， 并且透镜34将反向散射光信号28直接朝向检测器16聚焦。检测器16通过将反向散射光信号转换为电信号来检测所接收的反向散射信号 28。
在一个实施例中，利用雪崩光电二极管检测器作为检测器16。或者，检测器16可包括 光电倍增管、针状(Pin)光电二极管、盖革模式(Geiger mode)雪崩光电二极管、或雪崩光 电二极管检测器或盖革模式雪崩光电二极管的阵列。尽管图中将接收器14和检测器16作 为独立组件示出，但接收器和检测器的功能性也可加以组合以具有用于接收和检测反向散 射信号的集成检测器系统。
处理器18处理所检测的反向散射信号38以确定空中悬浮粒子32相对于风速计 的位置。处理器18基于从释放光信号到接收到反向散射信号的时间来对于所发送的脉冲 光信号20的每个脉冲确定空中悬浮粒子32的位置。具体来说，处理器18对于所发送的脉 冲光信号20的每个脉冲确定一定浓度30的空中悬浮粒子32和风速计10之间的距离。然 后，处理器18利用空中悬浮粒子32在时间间隔内的位置变化来估算风速。在一个实施例 中，利用空中悬浮粒子32的前沿40作为基准点来估算风速。处理器可按模拟模式或数字 模式操作。在如图2所示的另一实施例中，所发送的脉冲光信号20和所接收的反向散射信号 28具有独立的光路。反向散射信号具有独立的光路。使所发送的脉冲光信号20经过第一 组光学元件42，并使所接收的反向散射信号28经过第二组光学元件44。可利用第三组光 学元件46来将反向散射光信号28引向检测器。参照图3，以图形方式表示经过处理器处理的反向散射光信号，以便详细说明风速 估算过程。在X-轴50上表示空中悬浮粒子与风速计之间的距离，在Y-轴52上表示光子 数量。每个经处理的反向散射光信号表示对应于所发送的脉冲光信号的特定脉冲的距离分 布曲线(distance profile)。
距离分布曲线上的每个点表示一定浓度的空中悬浮粒子与 风速计之间的距离。出于说明的目的，图中示出对应于所发送的脉冲光信号的四个脉冲的 四个经处理的反向散射光信号。第一经处理信号54对应于在时间“t/’发送的脉冲，第二 经处理信号56对应于在时间“t2”发送的第二脉冲，第三经处理信号58对应于在时间“t3” 发送的第三脉冲，而第四经处理信号60对应于在时间“t4”发送的第四脉冲。在一个实施例中，每个经处理信号的峰值对应于空中悬浮粒子的前沿。但是，在估 算风速时也可使用经处理信号的任何特征(signature)或模式。在一个实施例中，利用每 个经处理信号的形心或其它统计学描述符来定义空中悬浮粒子的前沿或后沿。如前所述，利用前沿62作为基准点来估算风速。在时间“t/’，空中悬浮粒子的前沿相对于风速计的距 离为“d,。类似地，在时间“t2”、“t3”和“t4”，前沿相对于风速计的距离分别为“d2”、“d3” 和 “d4”。处理器通过计算空中悬浮粒子在一对不同时间之间的时间段内行进的距离来进 一步估算风速。例如，假设风朝向风速计吹，那么可利用空中悬浮粒子在时间“t/’和“t2” 之间行进的距离来计算风速。在时间段“t2-t/’内行进的距离将为“(!「(V’。因此，可按照 “汕-幻/ -、)”来计算风速。
可通过计算在任意不同时间对之间的时间段内行进的距离来估算风速。例如，可 利用在时间“ t2，，和“ t3，，、“ t3，，和“ t4，，、“V，和“ t3，，、“ t2，，和“ t4，，或任何其它组合之间行进 的距离来计算风速。可将所发送的光信号的两个连续脉冲之间的时间段选择得很小，例如为纳秒数量 级。因此，处理器通过首先计算若干时间段的风速来估算风速，然后通过统计学方法(例 如，平均、中值等)将所计算的那些风速融合成单个数值。如图4所示，可通过利用扫描机构66在区域64上扫描所发送的脉冲信号20来获 得多维风速信息。或者，如图5所示，可集成沿多个方向对准的多个风速计10以同时测量 多个方向的风速，并且因此获得三维风速。由每个风速计10发送的脉冲光信号20可以具 有不同或相同的波长。通过比较若干角度的反向散射信号28，除了可以测量朝向风速计10 行进的速度分量之外，还可测量风速的横向和垂直分量。参照图6，以图形方式表示处理反向散射光信号的另一实施例以说明风速估算过 程。在X-轴70上表示时间，在Y-轴72上表示空中悬浮粒子和风速计之间的距离，在Z-轴 74上表示光子数量。图中表示空中悬浮粒子随时间间隔的分布。
具体来说，对应于所发送 的特定脉冲光信号的来自一定浓度的空中悬浮粒子的反向散射光信号经过处理，并用方框 76表示。随着空中悬浮粒子远离风速计，空中悬浮粒子与风速计之间的距离增大。通过利 用合适的图像处理技术，可利用方框76上的边缘、形心或任意点、或参照方框76生成线78。 这条线78的斜率、S卩Δ距离/Δ时间得到风速。参照图7，风速计10可安装在风轮机80上，并与风轮机控制器82相关联。风速 计10可置于风轮机80的机舱84上。如前所述，风速计10利用来自空中悬浮粒子的反向 散射信号来估算风轮机80前方的风速。所估算的风速提供给风轮机控制器82。控制器82 通过发送命令以调节涡轮转子速度、转子叶片86的桨距角、涡轮输出功率或其组合而基于 风速不断控制风轮机80。此外，控制器82可基于估算的风速确定在风轮机80的背部产生 的伴流影响。为了减少伴流影响，控制器82可发送命令以旋转机舱84而使转子叶片86朝 特定方向定向。风速计10可沿一般水平的定向安装以在风轮机80的前方发送脉冲光信号20，或 者可沿一般垂直的定向安装以在风轮机80的上方发送脉冲光信号20。风速计10可沿任何 定向安装以朝向感兴趣的区域发送脉冲光信号20。
参照图8，风速计10也可安装在气象桅杆88或任何塔架上。由风速计10估算的 风速可用于各种目的，例如用于风轮机控制。图9中示出用于测量风速的方法100的流程图。在方框102，在不同时间(t1; t2， t3，…)发送脉冲光信号。在方框104，对于所发送的光信号的每个脉冲接收来自空中悬浮粒子的反向散射光信号。在方框106，检测所接收的反向散射信号。在方框108，基于所检 测的反向散射信号确定空中悬浮粒子在不同时间的位置。在方框110，利用空中悬浮粒子在 时间间隔内的位置变化来估算风速。具体来说，通过计算空中悬浮粒子在一对不同时间之 间的时间段内行进的距离来估算风速。利用空中悬浮粒子的位置变化来计算空中悬浮粒子 行进的距离。因此，上文描述的基于光的风速计10和基于光的测量风速的方法100提供了一种 利用来自空中悬浮粒子的反向散射信号而不是利用多普勒效应现象来估算风速的方法。无 需精密的设备来进行多普勒偏移检测，从而降低了成本并简化了设计。该风速计可利用常 规的宽线宽光源和滤光器来测量风速。该风速计可应用于风轮机控制、阵风检测和飞机起 飞后留在飞机后面的涡流效应的检测。将理解，根据任何特定实施例不一定实现上文描述的所有这些目的或优点。因此， 例如，本领域技术人员将意识到，本文描述的系统和技术可采用实现或优化本文教导的一
个优点或一组优点而不一定要实现本文教导或暗示的其它目的或优点的方式实施或进行。
尽管本文只示出和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员可联想到许多修改和改变。因此，将理解，随附权利要求要涵盖所有这些落在本发明的真实精神内的修改和改变。
元件列表
10风速计
12光源
14接收器
16检测器
18处理器
20脉冲光信号
22感兴趣区域
24第一光学元件
26第二光学元件
28反向散射信号
30一定浓度的空中悬浮粒子
32空中悬浮粒子
34透镜
36第三光学元件
38所检测的反向散射信号
40前沿
42第一组光学元件
44第二组光学元件
46第三组光学元件
50:x-轴
52:Y-轴
54第一经处理信号[006756第二经处理信号[006858第三经处理信号[006960第四经处理信号[007062前沿[007164区域[007266扫描机构[007370 :X-轴[007472 :Y-轴[007574 :Z-轴[007676方框[007778线[007880风轮机[007982风轮机控制器[008084机舱[008186转子叶片[008288气象桅杆[0083100测量风速的方法[0084102方框[0085104方框[0086106方框[0087108方框[0088110方框。
权利要求
一种风速计(10)，包括光源(12)，用于发送脉冲光信号(20)；接收器(14)，用于对于所发送的脉冲光信号(20)的每个脉冲接收来自空中悬浮粒子的反向散射信号(28)；检测器(16)，用于检测所接收的反向散射信号；以及处理器(18)，用于基于所检测的反向散射信号(38)确定所述空中悬浮粒子(32)相对于所述风速计(10)的位置，并利用所述空中悬浮粒子在至少一个时间间隔内的位置变化来估算风速。
2.如权利要求1所述的风速计(10)，其中在估算所述风速时利用所述空中悬浮粒子 (32)的特征或模式。
3.如权利要求2所述的风速计(10)，其中所述特征包括所述空中悬浮粒子(32)的前 沿(40)或后沿、或所述空中悬浮粒子(32)在至少一个时间间隔内的分布。
4.如权利要求1所述的风速计(10)，其中所述光源(12)包括至少一个脉冲LED或至 少一个脉冲激光器。
5.如权利要求1所述的风速计(10)，其中所述检测器(16)包括雪崩光电二极管检测 器、盖革模式雪崩光电二极管、或雪崩光电二极管检测器或盖革模式雪崩光电二极管的阵 列。
6.如权利要求1所述的风速计(10)，其中所述检测器(16)包括光电倍增管或针状光电二极管。
7.如权利要求1所述的风速计(10)，还包括用于在区域上扫射脉冲光信号的扫描机构 (66)。
8.如权利要求1所述的风速计(10)，其中所述风速计(10)安装在风轮机(80)或气象 桅杆(88)上或其附近。
9.如权利要求1所述的风速计(10)，还包括用于引导所述脉冲光信号(20)和所接收 的反向散射信号的光学元件(42，44，46)。
10.如权利要求9所述的风速计(10)，其中所发送的脉冲光信号(20)和所接收的反向 散射信号(28)共享共同的光路。
全文摘要
一种风速计(10)包括光源(12)，用于发送脉冲光信号(20)；接收器(14)，用于对于所发送的脉冲光信号(20)的每个脉冲接收来自空中悬浮粒子的反向散射信号(28)；检测器(16)，用于检测所接收的反向散射信号；以及处理器(18)，用于基于所检测的反向散射信号(38)确定空中悬浮粒子(32)相对于风速计(10)的位置。处理器利用空中悬浮粒子在至少一个时间间隔内的位置变化来估算风速。
文档编号G01P5/26GK101825647SQ20101011917
公开日2010年9月8日 申请日期2010年1月25日 优先权日2009年1月30日
发明者B·K·李, D·J·蒙克, J·吴, R·圭达, R·陈, S·I·多林斯基, 严卫中, 郑大年 申请人:通用电气公司
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