用于远程风感测的方法、 装置和系统 关联申请的参考
本发明参考以下申请 ： 2009 年 9 月 28 日 提 交 的 题 为 “Method， Devices， and Systems for Remote Wind Sensing( 用于远程风感测的方法、 装置和系统 )” 的美国临时专 利申请系列号 61/246,174 ； 2009 年 12 月 13 日提交的题为 “Method， Devices， and Systems for Remote Wind Sensing” 的美国临时专利申请系列号 61/285,991 ； 2010 年 6 月 7 日提交 的题为 “Method， Devices， and Systems for Remote Wind Sensing 的美国临时专利申请系 列号 61/351,976 ； 以及 2010 年 6 月 8 日提交的题为 “Method， Devices， and Systems for Remote Wind Sensing” 的美国临时专利申请系列号 61/352,396。根据 37 CFR 1.78(a)(4) 和 (5)(i)， 所述专利申请的公开内容以引用方式结合于此， 并且本发明要求所述专利申请 的优先权。
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 Volume Imaging 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 to the 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 Remote sensing of three dimensional winds with elastic Lidar ： explanation of maximum cross-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( 利用锥形扫
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 correlation Lidar( 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 the optical 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(τ) 图表， 其数学描述为 ：
其中 ：IA 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 ； ti 表示记录反射样值的 n 个时间点的其中之一 ； 和 分别为在 n 个时间点上记录的 n 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(τ) 图表， 其数学描述为 ：
其中 ： IA 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 ； ti 表示记录反射样值的 n 个时间点的其中之一 ； 和 分别为在 n 个时间点上记录的 n 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。附图说明 通过以下详细说明， 结合附图， 将更完整地理解本发明， 在附图中 ：
图 1 为根据本发明的一个优选实施例构造和操作的用于根据所监控的风特性控 制多个风轮机的运行的系统的部分图画部分示意简化图 ；
图 2 为根据本发明的一个优选实施例构造和操作的用于监控风特性以便进行短 程风向量预测的系统的部分图画部分示意简化图 ；
图 3 为根据本发明一个优选实施例构造和操作的用于监控风特性以用于评估预 期风力发电厂内各个位置的可用风力资源的系统的部分图画部分示意简化图 ；
图 4 为根据本发明的一个优选实施例构造和操作的用于监控风特性以用于规划 风轮机的布置的系统的部分图画部分示意简化图 ；
图 5A 和 5B 为用于监控风特性的非相干激光风速计的一个实施例的结构和操作的 部分图画部分示意简化图， 所述非相干激光风速计包括用于提供风速的输出指示的关联电 路；
图 6A 和 6B 为用于监控风特性的非相干激光风速计的一个替代实施例的结构和操 作的部分图画部分示意简化图， 所述非相干激光风速计包括用于提供风速的输出指示的关 联电路 ；
图 7A 和 7B 为用于监控风特性的非相干激光风速计的另一个替代实施例的结构和 操作的部分图画部分示意简化图， 所述非相干激光风速计包括用于提供风速的输出指示的 关联电路 ；
图 8A 和 8B 为用于监控风特性的非相干激光风速计的另一个替代实施例的结构和 操作的部分图画部分示意简化图， 所述非相干激光风速计包括用于提供风速的输出指示的 关联电路 ；
图 9 为用于监控风特性的非相干激光风速计的另一个替代实施例的结构和操作 的部分图画部分示意简化图， 所述非相干激光风速计包括用于提供风速的输出指示的关联 电路 ；
图 10 为图 5A 至图 9 所示系统的用于方向基本竖直的脉冲激光束的关联电路的操 作的简化流程图 ；
图 11 为有助于理解图 10 所示的功能操作的简化脉冲激光束关联图 ；
图 12 为图 5A 至图 9 所示系统的用于方向基本水平的脉冲激光束的关联电路的操 作的简化流程图 ；
图 13 为有助于理解图 12 所示的功能操作的简化脉冲激光束关联图 ； 以及
图 14 为由图 5A 至图 9 所示的非相干激光风速计的关联电路产生的典型关联图。
具体实施方式
参见图 1， 图 1 为根据本发明的一个优选实施例构造和操作的用于根据所监控的 风特性控制多个风轮机的运行的系统的部分图画部分示意简化图。
所述系统优选包括多个风速计 100， 用于测量多个位置处的风特性 ； 优选至少一个风数据处理子系统 102， 用于从所述多个风速计 100 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 ； 以及优选至少一个控制子系统 104， 从所述数据处理子系统 102 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风速计的多个风 轮机 106。
如图 1 所示， 所述风速计 100 优选为激光风速计， 每个激光风速计提供表示沿测量 轴线 110 的各个位置处的风速的输出。所述多个激光风速计 100 的输出通过分别由参考数 字 112 和 114 表示的有线或无线通信链路提供给至少一个风数据处理子系统 102。所述至 少一个控制子系统 104 随后可通过分别由参考数字 116 和 118 表示的有线或无线通信链路 将控制输入提供给多个风轮机 106。 应理解的是， 激光风速计 100 可位于各种位置， 例如， 位 于地面上或风轮机 106 的机舱上。
由所述至少一个控制子系统 104 提供给风轮机 106 的控制输入包括表示每个风轮 机 106 近旁的预期风特性的数据， 所述数据用于将每个风轮机 106 的转子对准与进风方向 基本垂直的平面中， 从而使得对旋转每个风轮机 106 的转子起作用的风力的量最大化， 从 而又使得能够由风轮机 106 产生的电量最大化。转子的对准优选通过每个风轮机 106 设置 的偏航电机完成。 另外， 所述数据用于控制每个风轮机 106 的转子的每个叶片的间距， 从而将每个 风轮机 106 可产生的电量最大化， 同时使得转子的每个叶片上的负荷平衡。在风力过弱而 无法使转子产生明显转动时或在风力过强而无法在不损坏风轮机的情况下安全运行风轮 机时， 所述数据还可由每个风轮机 106 用来锁定转子从而防止其转动。
本发明的一个实施例的一个特定特征为， 所述多个激光风速计 100 包括非相干激 光风速计。非相干激光风速计在一个风速计测量容积 120 内提供互相非相干的多个激光 束。所述风速计测量容积一般为圆锥形， 以测量轴线 110 为中心， 一般延伸达 300 米， 对向 (subtending) 约 14 度的开度角。所述多个激光束一般沿圆锥的圆周延伸。
本发明的一个特定特征为， 所述风数据处理子系统 102 用于从多个激光风速计 100 接收数据且将表示各个点处的风特性的输出数据提供给控制单元 104， 如图 1 所示。
更具体地， 本发明的一个特定特征为， 所述至少一个风数据处理子系统 102 可以 优选以每秒至少一次的更新率向控制单元 104 提供三维风速测量值， 并通过该特征以每秒 一次与几分钟一次之间的更新率对风轮机进行控制。
现在参照图 2， 图 2 为根据本发明的一个优选实施例构造和操作的用于监控风特 性以在时间和 / 或空间方面进行短程风向量预测的系统的部分图画部分示意简化图。例 如， 这种短程风向量预测可特别用于预测接下来几十秒、 几十分钟或几十小时内风力发电 厂将产生的电力， 因此有助于对大范围电网内的风力发电厂的电力输出进行最佳整合。另 外， 响应于预期的预测风特性， 该预测可优化风力发电厂的风轮机的运行。
图 2 所示的系统优选包括多个风速计 200， 用于测量预测容积 202 内分布的多个位 置处的风特性， 该预测容积可构想为用三维网格 204 覆盖。一般来说， 预测容积 202 的尺寸 至少约为几立方千米， 单个网格单元的长度至少约为几十米， 但是， 额外风速计可设置于距 风力发电厂几千米的位置， 并提供有关于预期可在以后到达风力发电厂的风特性的数据。
优选地， 至少一个风数据处理子系统 212 用于从多个风速计 200 接收数据， 并通过 对数据进行空气动力学计算而提供表示多个位置处的预测风特性的输出数据 ； 可选地， 至
少一个控制子系统 214， 从所述至少一个风数据处理子系统 212 接收所述输出数据， 并根据 预测风特性将风轮机控制信号提供给至少基本靠近所述多个风速计 200 设置的多个风轮 机 216。由数据处理子系统 212 提供的输出数据还用于对风力发电厂将产生的电力的量进 行预测， 这有助于在电力现货市场交易和销售所产生的电力。
如图 2 所示， 所述风速计 200 优选为激光风速计， 每个激光风速计提供表示沿测量 轴线 220 的各个位置的风速的输出。所述多个激光风速计 200 的输出通过分别由参考数字 222 和 224 表示的有线或无线通信链路提供给至少一个风数据处理子系统 212。所述至少 一个控制子系统 214 随后可通过分别由参考数字 226 和 228 表示的有线或无线通信链路将 控制输入提供给多个风轮机 216。 应理解的是， 激光风速计 200 可位于各种位置， 例如， 位于 地面上或风轮机 216 的机舱上。
由所述至少一个控制子系统 214 提供给风轮机 216 的控制输入包括表示每个风轮 机 216 近旁的预测风特性的数据， 所述数据用于将每个风轮机 216 的转子对准在与进风方 向基本垂直的平面中， 从而使得对旋转每个风轮机 216 的转子起作用的风力的量最大化， 从而又使得可由风轮机 216 产生的电量最大化。转子的对准优选通过每个风轮机 216 设置 的偏航电机完成。 另外， 所述数据用于控制每个风轮机 216 的转子的每个叶片的间距， 从而将每个 风轮机 216 可产生的电量最大化， 同时使得转子的每个叶片上的负荷平衡。在风力过弱而 无法使转子产生明显转动时或在风力过强而无法在不损坏风轮机的情况下安全运行风轮 机时， 所述数据还由每个风轮机 216 用来锁定转子从而防止其转动。
本发明的一个实施例的一个特定特征为， 所述多个激光风速计 200 包括非相干激 光风速计。非相干激光风速计在风速计测量容积 230 内提供互相非相干的多个激光束。所 述风速计测量容积一般为圆锥形， 以测量轴线 220 为中心， 一般延伸达 300 米， 对向约 14 度 的开度角。所述多个激光束一般沿圆锥的圆周延伸。
本发明的一个特定特征为， 所述风数据处理子系统 212 用于从多个激光风速计 200 接收数据， 并提供表示处于预测容积 202 的网格 204 的各个点的风特性的输出数据， 所 述预测容积 202 可包含一个或多个风力发电厂， 如图 2 所示。
更特别地， 本发明的一个特定特征为， 所述至少一个风数据处理子系统 212 可优 选以每秒至少一次的更新率提供所述预测容积 202 内的三维风速向量。优选针对三维网格 204 上的每个点提供这种风速向量， 所述风速向量可表示实时测量的风速向量和 / 或预测 的风速向量。 该特征可允许灵活地布置激光风速计 200， 所述激光风速计 200 可布置于地面 上而并非必须置于风轮机 216 的机舱上， 从而使激光风速计 200 在现有风力发电厂中的布 置和集成更为容易。
现在参照图 3， 图 3 为根据本发明的一个优选实施例构造和操作的用于监控风特 性以对预期的风力发电厂内各个位置中的预期可用风力资源进行评估的系统的部分图画 部分示意简化图。
图 3 所示的系统优选包括多个风速计 300， 用于测量分布在潜在风力发电厂内的 多个位置处的风特性。
至少一个风数据处理子系统 312 用于从多个风速计 300 接收数据， 并提供表示多 个位置处的风特性的输出数据， 所述输出数据用于评估潜在风力发电厂内的可用风力资
源。 如图 3 所示， 所述风速计 300 优选为激光风速计， 每个激光风速计提供表示在沿测 量轴线 320 的各个位置处的风速的输出。所述多个激光风速计 300 的输出通过分别由参考 数字 322 和 324 表示的有线或无线通信链路提供给至少一个风数据处理子系统 312。应理 解的是， 激光风速计 300 可定位于潜在风力发电厂内的各种位置处。
本发明的一个实施例的特定特征为， 所述多个激光风速计 300 包括非相干激光风 速计。非相干激光风速计在风速计测量容积 330 内提供互相非相干的多个激光束。所述风 速计测量容积一般为圆锥形， 以测量轴线 320 为中心， 一般延伸达 300 米， 对向约 14 度的角 度。所述多个激光束一般沿圆锥的圆周延伸。
本发明的另一个特定特征为， 所述风数据处理子系统 312 用于从多个激光风速计 300 接收数据且为用户提供有关于可用风力资源的数据。所述风数据处理子系统可位于潜 在风力发电厂内或远离潜在风力发电厂的位置处。
本发明的另一个特定特征为， 所述风数据处理子系统 312 可利用接收自多个激光 风速计 300 的数据来计算多个重要参数， 例如风力发电厂中的风切变和风转向， 以及风力 发电厂中的风湍流的强度和风力发电厂内阵风较强或湍流较高的位置， 其可能会对布置在 这些位置处的风轮机的性能产生负面影响。
现在参照图 4， 图 4 为根据本发明的一个优选实施例构造和操作的用于监控风特 性以对风轮机进行布置的系统的部分图画部分示意简化图。
图 4 所示的系统优选包括多个风速计 350， 用于测量分布在潜在风力发电厂容积 352 内的多个位置的风特性， 可将其构想为用三维网格 354 覆盖。一般来说， 潜在风力发电 厂容积 352 的尺寸至少约为几立方千米， 单个网格单元的长度至少约为几十米。
至少一个风数据处理子系统 362 用于从多个风速计 350 接收数据， 并提供表示多 个位置处的风特性的输出数据， 所述输出数据用于多个未来风轮机 366 的设计和布置方 面， 该未来风轮机 366 以虚线表示。
如图 4 所示， 所述风速计 350 优选为激光风速计， 每个激光风速计提供表示沿测量 轴线 370 的各个位置处的风速的输出。所述多个激光风速计 350 的输出通过分别由参考数 字 372 和 374 表示的有线或无线通信链路提供给至少一个风数据处理子系统 362。应理解 的是， 激光风速计 350 可定位于潜在风力发电厂容积 352 内的各种位置处。
本发明的一个实施例的一个特定特征为， 所述多个激光风速计 350 包括非相干激 光风速计。非相干激光风速计在风速计测量容积 380 内提供互相非相干的多个激光束。所 述风速计测量容积一般为圆锥形， 以测量轴线 370 为中心， 一般延伸达 300 米， 对向约 14 度 的角度。所述多个激光束一般沿圆锥的圆周延伸。
本发明的一个特定特征为， 所述风数据处理子系统 362 用于从多个激光风速计 350 接收数据， 并提供表示潜在风力发电厂容积 352 的网格 354 上的各个点处的风特性的输 出数据， 如图 4 所示。
更特别地， 本发明的一个特别特征为， 所述至少一个风数据处理子系统 362 可优 选以每秒至少一次的更新率提供所述预测容积 352 内的三维风速向量。优选对三维网格 354 上的每个点提供这种风速向量， 其可表示实时测量的风速向量和 / 或预测风速向量。 预 期风力发电厂容积 352 内的这种三维风速向量图可支持数学模型， 该数学模型根据未来风
轮机 366 在由数据处理子系统 362 随着时间积累的测量和预测风向量下运行时可能会产生 的最大输出电力计算多个未来风轮机 366 在潜在风力发电厂容积 352 内的最佳潜在位置。
现在参照图 5A 和 5B， 图 5A 和 5B 为用于监控风特性的非相干激光风速计的一个实 施例的结构和操作的部分图画部分示意简化图， 所述非相干激光风速计包括用于提供风速 输出指示的关联电路， 以及参照图 6A 和 6B， 图 6A 和 6B 为用于监控风特性的非相干激光风 速计的一个替代实施例的结构和操作的部分图画部分示意简化图， 所述非相干激光风速计 包括用于提供风速输出指示的关联电路。
如图 5A 至 6B 所示， 包括主振荡器和时间设定电路的风速计传输控制器 400 给可 调谐激光器 402( 例如市场上可买到的美国加州米尔皮塔斯 JDS Uniphase Corporation 公 司生产的 3205-D 或 3206-D 可调谐激光器 ) 提供定时控制输出。所述控制输出优选控制可 调谐激光器 402 的脉冲输出的功率电平、 时间和波长。可调谐激光器 402 的脉冲输出一般 由光纤传输给光学放大器 404， 所述光学放大器例如市场上可买到的以色列 Red-COptical Networks Ltd. 公司生产的 High Power Variable Gain/Fixed Gain EDFA( 大功率可变增 益 / 固定增益光纤放大器 )。应理解的是， 可采用任何其他合适光学放大器。还应理解的 是， 激光器 402 产生足够功率时， 可省去所述光学放大器 404。可替代地， 可采用任何其他 合适的可调谐激光器或单独固定波长激光器的组合。例如， 图 5A 至 6B 的放大区 A 中显示 的四个单独激光器提供具有四种不同波长 λ1、 λ2、 λ3 和 λ4 的激光输出束。优选地， 采用 32 种不同波长。所有这些替代都包括在本文使用的术语 “可调谐激光器” 的范围内。
光学放大器 404 的放大激光输出优选由光纤传输给波分多路复用器 406， 所述 波 分 多 路 复 用 器 例 如 为 美 国 加 州 弗 里 蒙 特 Gemfire Corporation 公 司 生 产 的 100GHz Athermal Arrayed Waveguide Grating( 无热阵列波导光栅 )。
多路复用器 406 的输出为多个脉冲束， 每个脉冲束具有不同波长， 每个脉冲束优 选由独立光纤进行传输。优选采用 32 个单独光纤 410 组成的光纤束 408 传输具有不同波 长的相应数量的脉冲激光输出束。光纤束 408 的单个光纤 410 的端部以预期优选圆形配置 位于透镜 414 的焦平面 412 中， 以提供透镜 414 的绕锥形面设置的具有 32 个互相不相干脉 冲束的光输出。可替代地， 可设置层叠的透镜代替透镜 414。在焦平面 412 中沿剖面线 B-B 截取的面向透镜 414 的放大区 B 显示了光纤 410 和透镜 414， 所述光纤的圆形设置以透镜 412 的光轴为中心， 所述光轴用参考数字 416 表示。
图 5A 至 6B 所示实施例的进一步特定特征为， 所述多个脉冲激光输出通过输出使 用可调谐激光器实现， 所述可调谐激光器的输出与波分多路复用器耦合。
图 5A 至 6B 所示实施例的进一步特定特征为， 所述脉冲激光输出通过例如波分多 路复用器的装置根据其波长进行分配和引导， 所述波分多路复用器不具有可动部分， 因而 适用于用在气候恶劣且相对难以进入的环境。
应理解的是， 脉冲激光束输出的任何合适预期图案或结构可通过将光纤 410 的端 部合适地设置在合适透镜 414 的焦平面 41 中而实现。还应理解的是， 光纤 410 的位于透镜 414 的焦平面 412 中的端部可以以以增强透镜 414 的能力的方式倾斜， 从而收集多个光纤 410 发射的光， 以允许透镜 414 是相对简单和便宜的设计， 这使风速计的设计更为坚固和便 宜， 从而更好地应用于大众市场。
透镜 412 的光输出一般撞击在一个或多个折叠式反射镜上， 所述折叠式反射镜关于具有中心轴线 ( 未显示 ) 的锥形表面向外引导脉冲束。所述脉冲束一般撞击在粒子上， 例如， 空气分子或空气中的分子或气溶胶， 并由其进行反射。可替代地， 可省去所述折叠式 反射镜， 和 / 或可用具有光学能力的一个或多个反射镜代替透镜。
如图 5A 和 5B 所示， 反射收集光学器件 ( 优选体现为反射镜 422) 从空气中的气 溶胶中接收脉冲激光束的反射， 并 ( 可选地 ) 通过一般包括至少一个透镜的聚焦光学器件 424( 优选地 ) 将其引导至探测器 426， 所述探测器 426 一般为在 1100-1700 纳米下运行的 InGaAs APDs 探测器或 InGaAs PIN 二级管探测器， 在市场上它们均可从美国新罕布什尔哈 得孙的 Laser Components IG Inc 公司买到。可替代地， 如图 6A 和 6B 所示， 可省去聚焦光 学器件 424， 并且可采用探测器阵列 427 代替探测器 426。
应理解的是， 图 5A 至 6B 所示的实施例可包括滤光器， 其将波长处于风速计产生的 波长范围之外的光在到达探测器 426 或探测器阵列 427 之前过滤掉， 从而减少探测器 426 或探测器阵列 427 接收的背景噪声的量。
一个或多个探测器 426 的放大输出通过 A/D 转换器 428 提供给关联电路 429， 所述 关联电路 429 用于使来自各个方向的脉冲束的反射产生的信号相互关联， 以提供关于空气 中气溶胶的运动方向和速度的信息， 所述信息表示风速。关联电路 429 优选体现为置于可 编程处理器芯片 ( 例如 FPGA) 上的软件。另外， 可采用其他处理部件， 例如 DSP 或 CPU 实时 执行所需关联计算的至少部分。 本发明的一个特定特征为， 关联电路 429 用于使接收自沿单个脉冲束的相同或不 同距离处的位置的反射与不同脉冲束上、 不同时间间隔 ( 代表要测量的风速范围 ) 下的相 同或不同距离的位置处的反射相互关联。优选地， 根据本发明一个优选实施例执行的相互 关联的结果是沿测量风速的锥形容积的轴线的每个位置处的向量， 该向量代表风速。
本发明的另一个特定特征为， 对互相不相干的脉冲激光束进行相互关联。 因此， 可 在风速计中使用比目前传统多普勒激光风速计中采用的激光器和光学器件更便宜且可在 更低信噪比下操作的激光器和光学器件。
现在参照图 7A 和 7B， 所述图 7A 和 7B 为用于监控风特性的非相干激光风速计的另 一个替代实施例的结构和操作的部分图画部分示意简化图， 所述非相干激光风速计包括用 于提供风速的输出指示的关联电路， 并且参照图 8A 和 8B， 图 8A 和 8B 为用于监控风特性的 非相干激光风速计的另一个替代实施例的结构和操作的部分图画部分示意简化图， 所述非 相干激光风速计包括用于提供风速的输出指示的关联电路。
如图 7A 至 8B 所示， 包括主振荡器和时间设定电路的风速计传输控制器 430 将 定时控制输出提供给激光器 432， 所述激光器 432 例如为市场上可买到的法国 Lannion 的 Keopsys SA 公司生产的 KULT 激光器。所述控制输出优选控制激光器 432 的脉冲输出的功 率电平和时间。 激光器 432 的脉冲输出一般由光纤传输给光学放大器 434， 所述光学放大器 434 例如为市场上可买到的以色列 Red-C Optical Networks Ltd. 公司生产的 High Power Variable Gain/Fixed Gain EDFA( 大功率可变增益 / 固定增益光纤放大器 )。 应理解的是， 可采用任何其他合适光学放大器。还应理解的是， 激光器 432 产生足够功率时， 可省去所述 光学放大器 434。
光学放大器 434 的放大激光输出优选由光纤传输给开关 436， 所述开关 436 例如为 市场上可买到的列支敦士登 Schaan 的 Sercalo Microtechnology Ltd.of 公司生产的快速
光纤 1×32 开关。开关 436 由控制器 430 控制， 使光学放大器 434 的激光输出根据控制器 430 提供的命令被引导到开关 436 的任何一个输出端口。
开关 436 的输出为多个脉冲束， 每个脉冲束优选由单独光纤进行传输。优选采用 32 个单独光纤 440 组成的光纤束 438 在控制器 430 提供的控制输出的控制下传输相应数量 的脉冲激光输出束。光纤束 438 的单个光纤 440 的端部以预期优选圆形配置位于透镜 444 的焦平面 442 中， 以提供透镜 444 的具有围绕锥形表面设置的 32 个互相不相干脉冲束的光 输出。可替代地， 可设置层叠透镜代替透镜 444。在焦平面 442 中沿剖面线 A-A 截取的面向 透镜 444 的放大区 A 显示了光纤 440 和透镜 444， 所述光纤的圆形设置以透镜 442 的光轴为 中心， 所述光轴用参考数字 446 表示。
本发明该实施例的进一步特定特征为， 所述多个脉冲激光输出使用其输出与光纤 开关耦合的激光器实现。
图 7A 至 8B 所示实施例的进一步特定特征为， 所述脉冲激光输出可由例如开关的 装置根据控制器 430 提供的控制输出进行分配和引导， 所述开关不具有可动部分， 因而适 用于气候恶劣且相对难以进入的环境。可替代地， 所述脉冲激光输出可由其他机构 ( 例如 通过旋转镜或通过 MEMS 技术 ) 进行分配和引导。 应理解的是， 可通过将光纤 440 的端部合适地设置在合适透镜 444 的焦平面 442 中而实现脉冲激光束输出的任何合适预期设置。还应理解的是， 光纤 440 的在透镜 444 的 焦平面 442 中的端部可以以增强透镜 444 的能力的方式倾斜， 从而收集多个光纤 440 发射 的光， 以使透镜 444 为相对简单且便宜的设计， 这转而使风速计的设计更为坚固、 制造更为 便宜， 从而更好地应用于大众市场。
透镜 444 的光输出一般撞击在一个或多个折叠式反射镜上， 所述折叠式反射镜将 脉冲束围绕具有中心轴线 ( 未显示 ) 的锥形表面向外引导。 所述脉冲束一般撞击在粒子上， 例如， 空气分子或空气中的分子或气溶胶， 并由其进行反射。可替代地， 可省去所述折叠式 反射镜， 和 / 或用具有光学能力的一个或多个反射镜代替透镜。
如图 7A 和 7B 所示， 反射收集光学器件 ( 优选体现为反射镜 452) 从空气中的气 溶胶中接收脉冲激光束的反射， 并 ( 可选地 ) 通过一般包括至少一个透镜的聚焦光学器件 454( 优选地 ) 引导至探测器 456， 所述探测器 456 一般为在 1100-1700 纳米下运行的 InGaAs APDs 探测器或 InGaAsPIN 二级管探测器， 它们均可在市场上从美国新罕布什尔哈得孙的 Laser Components IG Inc. 公司买到。 可替代地， 如图 8A 和 8B 所示， 可省去聚焦光学器件 454， 并可采用探测器阵列 457 代替探测器 456。
应理解的是， 图 7A 至 8B 所示的实施例可包括滤光器， 其将波长处于风速计产生的 波长范围之外的光在到达探测器 456 或探测器阵列 457 之前过滤掉， 从而减少探测器 456 或探测器阵列 457 接收的背景噪声的量。
一个或多个探测器 456 的放大输出通过 A/D 转换器 458 提供给关联电路 459， 所述 关联电路 459 用于使来自各个方向的脉冲束的反射产生的信号相互关联， 以提供关于空气 中气溶胶的运动方向和速度的信息， 所述信息代表风速。关联电路 459 优选体现为置于可 编程处理器芯片 ( 例如 FPGA) 上的软件。另外， 可采用其他处理部件， 例如 DSP 或 CPU 实时 执行所需关联计算的至少部分。
本发明的一个特定特征为， 关联电路 459 用于使接收自沿单个脉冲束的相同或不
同距离处的位置的反射与不同脉冲束上、 不同时间间隔 ( 代表要测量的风速范围 ) 下的相 同或不同距离的位置处的反射相互关联。优选地， 根据本发明一个优选实施例执行的相互 关联的结果是沿测量风速的锥形容积的轴线的每个位置处的向量， 该向量代表风速。
本发明的另一个特定特征为， 对互相不相干的脉冲激光束进行相互关联。 因此， 可 在风速计中使用比目前传统多普勒激光风速计中采用的激光器和光学器件更便宜、 且可在 更低信噪比下操作的激光器和光学器件。
现在参照图 9， 图 9 为用于监控风特性的非相干激光风速计的另一个替代实施例 的结构和操作的部分图画部分示意简化图， 所述非相干激光风速计包括用于提供风速的输 出指示的关联电路。
如图 9 所示， 包括主振荡器和时间设定电路的风速计传输控制器 460 将定时控制 输出提供给激光器 462， 所述激光器 462 例如为市场上可买到的法国 Lannion 的 Keopsys SA 公司生产的 KULT。所述控制输出优选控制激光器 462 的脉冲输出的功率电平和时间。激光 器 462 的脉冲输出一般由光纤传输给光学放大器 464， 所述光学放大器 464 例如为市场上 可买到的以色列 Red-C Optical Networks Ltd. 公司生产的 High Power Variable Gain/ Fixed Gain EDFA( 大功率可变增益 / 固定增益光纤放大器 )。应理解的是， 可采用任何其 他合适光学放大器。
光学放大器 464 的放大激光输出优选由光纤传输给分离器 466， 例如， 基于 PLC 的 分离器。
分离器 466 的输出为多个同时脉冲束， 每个脉冲束优选由单独光纤同时进行传 输。优选采用 32 个单独光纤 470 组成的光纤束 468 传输具有相同波长的相应数量的脉冲 激光输出束。光纤束 468 的单个光纤 470 的端部以预期选圆形配置位于透镜 474 的焦平面 472 中， 以提供透镜 474 的具有围绕锥形表面设置的 32 个互相不相干脉冲束的光输出。可 替代地， 可设置层叠透镜代替透镜 474。在焦平面 472 中沿剖面线 A-A 截取面向透镜 474 的 放大区 A 显示了光纤 470 和透镜 474， 所述光纤的圆形设置以透镜 472 的光轴为中心， 所述 光轴用参考数字 476 表示。
本发明该实施例的进一步特定特征为， 所述多个脉冲激光输出使用其输出与分离 器耦合的激光器实现。
图 9 所示的实施例的一个特定特征为， 所述脉冲激光输出由例如分离器的装置产 生， 所述分离器不具有可动部分因而适用于气候恶劣且相对难以进入的环境。
应理解的是， 可通过将光纤 470 的端部合适地设置在合适透镜 474 的焦平面 472 中而实现脉冲激光束输出的任何合适预期设置。还应理解的是， 光纤 470 的在透镜 474 的 焦平面 472 上的端部可以以增强透镜 474 的能力的方式倾斜， 从而收集多个光纤 470 发射 的光， 以使透镜 474 为相对简单且便宜的设计， 这转而使风速计的设计更为坚固、 便宜， 从 而更好地应用于大众市场。
透镜 474 的光输出一般撞击在一个或多个折叠式反射镜上， 所述折叠式反射镜将 脉冲束围绕具有中心轴线 ( 未显示 ) 的锥形表面向外引导。 所述脉冲束一般撞击在粒子上， 例如， 空气分子或空气中的分子或气溶胶， 并由其进行反射。可替代地， 可省去所述折叠式 反射镜， 和 / 或用具有光学能力的一个或多个反射镜代替透镜。
如图 9 所示， 反射收集光学器件 ( 优选体现为镜子 482) 从空气中的气溶胶中接收脉冲激光束的反射， 并 ( 优选地 ) 将其引导到探测器阵列 487， 优选每个脉冲激光束有一个 探测器， 所述探测器阵列 487 一般在 1100-1700 纳米下运行的 InGaAs APDs 探测器或 PIN 二级管探测器， 它们均为市场上可买到的美国新罕布什尔哈得孙的 Laser Components IG Inc. 公司生产的。
应理解的是， 图 9 所示的实施例可包括滤光器， 所述滤光器将波长处于风速计产 生的波长范围之外的光在到达探测器阵列 487 之前过滤掉， 从而减少探测器阵列 487 接收 的背景噪声的量。
探测器阵列 487 的放大输出通过与 32 个脉冲束对应的 32 个 ADC 转换器组成的阵 列 488 提供给关联电路 489， 所述关联电路 489 用于使来自各个方向的脉冲束的反射产生的 信号相互关联， 以提供关于空气中气溶胶的运动方向和速度的信息， 所述信息代表风速。 关 联电路 489 优选体现为置于可编程处理器芯片 ( 例如 FPGA) 上的软件。另外， 可采用其他 处理部件， 例如 DSP 或 CPU 实时执行所需关联计算的至少部分。
本发明的一个特定特征为， 关联电路 489 用于使接收自沿单个脉冲束的相同或不 同距离处的位置的反射与不同脉冲束上、 不同时间间隔 ( 代表要测量的风速范围 ) 下的相 同或不同距离的位置处的反射相互关联。优选地， 根据本发明一个优选实施例执行的相互 关联的结果是沿测量风速的锥形容积的轴线的每个位置处的向量， 该向量代表风速。
本发明的另一个特定特征为， 对互相不相干的脉冲激光束进行相互关联。 因此， 可 在风速计中使用比目前传统多普勒激光风速计中采用的激光器和光学器件更便宜且可在 更低信噪比下操作的激光器和光学器件。
现在参照图 10， 图 10 为示出了图 5A 至图 9 所示系统的关联电路的操作的简化流 程图 ； 以及参照图 11， 图 11 为有助于理解图 5A 至图 9 所示的用于基本竖直定向的脉冲激 光束的系统的操作的简化脉冲激光束关联图。
如上文根据图 5A 至图 9 所述， 多个脉冲激光束 ( 优选 32 个脉冲激光束 ) 沿以轴 线 490 为中心的锥形表面设置。轴线 490 可沿任何合适方向定向。一般来说， 当激光风速 计位于地面上时， 轴线 490 竖直定向。当激光风速计位于风轮机的机舱上时， 轴线 490 一般 处于水平面中。
在所示示例中， 如下文所述， 轴线 490 为竖直的。图 11 显示了沿绕轴线 490 的锥 形表面设置的四种典型脉冲激光束， 用字母 A、 L、 P 和 R 表示。
如图 10 的简化流程图中的框 502 所示， 最初， 在预定测量时间收集表示来自多个 激光束的激光辐射的信号， 所述激光束由距激光风速计各种距离处的空气中的气溶胶进行 反向散射， 所述不同距离表示为不同的竖直高度。
随后， 如框 504 所示， 选择给定竖直高度， 在所述高度处要测量风速向量。
随后， 如框 506 所示， 对不同激光束对上的位置 ( 所述位置位于距风速计相同距 离 ) 处的接收信号进行初始相互关联。在轴线 490 是竖直的情况下， 这些关联性基本存在 于通常处于同一水平面的位置之间。这基于风基本为水平的假设。这种关联性优选最初在 某些 ( 但并非所有 ) 脉冲激光束对之间进行， 一般为图 11 所示的激光束 A、 L、 P 和 R。图 I 显示了接收自位置 A13 的信号， 图 II 显示了接收自位置 A12 的信号， 图 III 显示了接收自 位置 L13 的信号。
一个典型关联图如关联图 I 表示的， 显示了接收自位置 L13 的信号与接收自位置A13 的信号之间的关联性， 位置 L13 和 A13 一般相距 25 米。认为在风从 L13 吹向 A13 时， 接 收自两个位置的信号之间的关联性达到最大值。关联图 I 显示了接收自这两个位置的信号 之间的最大关联性是在 5 秒的时移下接收的， 这意味着， 位置 L13 和 A13 之间的风的平均水 平速度为每秒 5 米。
根据不同脉冲激光束对 ( 一般为处于相同高度的 A、 L、 P 和 R) 之间的各种关联性 结果， 可确定该高度下的风速向量的水平投影的方向和幅度的近似表示。
随后， 如框 508 所示， 利用在由关联峰值 ( 例如， 关联图 I 所示的关联峰值 ) 代表 的偏移时间前后的偏移时间范围内基本邻近于风速向量的水平投影路径的所选激光束执 行进一步的相互关联。 这些进一步相互关联提供了方向和偏移时间上的增强分辨率关联性 结果， 从而提供给定高度下的风速向量的增强分辨率水平投影。
随后， 如框 510 所示， 在距激光风速计不同距离 ( 即， 处于不同高度 ) 处的位置之 间执行附加关联。一个典型的这种关联示出在图 11 中的位置 L13 与 A12 之间。
这种附加关联的一个典型关联图用关联图 II 表示， 显示了接收自位置 L13 的信号 与接收自位置 A12 的信号之间的关联性， 位置 L13 和 A12 一般相距 27 米。认为在风从 L13 吹向 A12 时， 接收自这两个位置的信号之间的关联性达到最大值。 如关联图 II 所示， 该最大 关联性高于图 I 所示的最大关联性， 这意味着风的实际向量不完全为水平的， 而是沿从 L13 至 A12 的方向上。关联图 II 还显示了在 5 秒的时移下接收到关联性峰值， 这意味着， 位置 L13 和 A12 之间的风的平均速度为 5.4m/sec。
根据不同脉冲激光束对 ( 一般在执行水平关联的高度附近的不同高度处的 A、 L、 P 和 R) 之间的各种关联结果， 可确定该高度下的风速向量的表示。
如框 512 所示， 对要测量风速向量的所有关联高度都重复上述程序， 优选地， 随时 间推移而一直重复。存储所述风速向量且根据情况进行使用。
现在参照图 12， 图 12 为图 5A 至图 9 所示系统的关联电路的操作简化流程图 ； 并 参照图 13， 图 13 为有助于理解图 5A 至图 9 所示的用于基本水平定向的脉冲激光束的系统 的操作的简化脉冲激光束关联图。
如上文根据图 5A 至图 9 所述， 多个脉冲激光束， 优选 32 个脉冲激光束沿以轴线 690 为中心的锥形表面设置。轴线 690 可沿任何合适方向定向。一般来说， 当激光风速计位 于地面上时， 轴线 690 定向为竖直的。当激光风速计位于风轮机的机舱上时， 轴线 690 一般 处于水平面中。
在所示示例中， 如下文所述， 轴线 690 为水平的。图 13 显示了沿绕轴线 690 的锥 形表面设置的四种典型脉冲激光束， 用字母 A、 L、 P 和 R 表示。
如图 12 的简化流程图中的框 702 所示， 最初， 在预定测量时间内收集表示来自多 个激光束的激光辐射的信号， 所述激光束由空气中的距激光风速计不同距离处的气溶胶反 向散射， 所述不同距离代表与激光风速计不同的基本水平距离。
随后， 如框 704 所示， 选择要测量风速向量的距激光风速计的给定距离。
随后， 如框 706 所示， 对接收自沿特定激光束大约处于给定距离的不同位置处的 信号进行初始关联， 优选对于某些 ( 并非所有 ) 脉冲激光束对 ( 一般为图 13 所示的激光束 A、 L、 P 和 R) 之间进行所述初始关联。这基于风基本为水平的假设。图 I 显示了接收自位 置 A12 的信号， 图 II 显示了接收自位置 A11 的信号， 图 III 显示了接收自位置 A10 的信号，图 IV 显示了接收自位置 R9 的信号。
一个典型关联图用关联图 I 表示， 显示了接收自位置 A10 的信号与接收自位置 A12 的信号之间的关联性， 位置 A10 和 A12 一般相距 20 米。认为当风从 A10 吹向 A12 时， 接收 自这两个位置的信号之间的关联性达到最大值。关联图 I 显示了接收自这两个位置的信号 之间的最大关联性是在 2 秒的时移下接收的， 这意味着， 位置 A10 和 A12 之间的风的平均速 度为每秒 10 米。
根据大约处于沿某些脉冲激光束 ( 一般为 A、 L、 P 和 R) 的特定激光束的给定距离 处的位置之间的各种关联结果， 可对于沿激光束 A 的给定距离确定风速向量的水平投影的 方向和幅度的近似指示。
随后， 如框 708 所示， 利用在由关联峰值 ( 例如， 关联图 I 所示的关联峰值 ) 代表 的偏移时间前后的偏移时间范围内基本邻近于风速向量的水平投影路径的所选激光束执 行进一步的相互关联。 这些进一步相互关联提供了方向和偏移时间上的增强分辨率关联性 结果， 从而提供给定距离处的风速向量的增强分辨率水平投影。
随后， 如框 710 所示， 在不同激光束上的位置之间进行附加关联。
这种额外关联的一个典型关联图用图 13 中的关联图 II 表示， 显示了接收自位置 R9 的信号与接收自位置 A11 的信号之间的关联性， 位置 R9 和 A11 一般相距 25 米。认为当 风从 R9 吹向 A11 时， 接收自这两个位置的信号之间的关联性达到最大值。如关联图 II 所 示， 该最大关联性高于图 I 所示的最大关联性， 这意味着风的实际向量并非沿激光束 A， 而 是沿从 R9 至 A11 的方向上。关联图 II 还显示了在 2 秒的时移下接收到关联性峰值， 这意 味着， 位置 R9 和 A11 之间的风的平均速度为 12.5 米每秒。
根据不同脉冲激光束对 ( 一般为 A、 L、 P 和 R) 之间的各种关联性结果， 可获得沿水 平轴 690 的给定距离处的风速向量的指示。
如框 712 所示， 对距要测量风速向量的激光风速计相隔的所有关联距离都重复上 述程序， 优选地， 在随时间的推移一直重复。存储所述风速向量并根据情况进行使用。
现在参照图 14， 图 14 为图 5A 至图 9 所示的非相干激光风速计的关联电路产生的 典型关联图。
关联函数 C(τ) 图的数学描述可为 ：
其中 ： IA 和 IB 分别为随时间而变的来自空间位置 A 和 B 的反射激光束的强度 ； ti 表示记录反射样值的 n 个时间点的其中之一 ； 和 分别为在 n 个时间点上记录的 n 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。
如图 14 所示， 关联函数 C 在 τp 的时差下达到峰值， τp 代表特定反射图案从空间 中的位置 A 移动到 B 所需的时间， 从而形成该时差范围内的位置 A 和位置 B 处测量的反射 激光束的强度之间的峰值关联性。 假设空间中的反射图案偏移几乎不随局部风向量的变化 而变化 ( 至少对于短时间周期是如此， 该短时间周期幅度与 τp 大约相同 )， 所述关联峰值实际上测量风将反射粒子从位置 A 携带到位置 B 所需的时间， 因此， 峰值关联的时间与空间 中位置 A 和 B 之间的平均风速成正比。如上文根据图 11 和图 13 所述， 在空间中的多个位 置之间建立多个关联函数然后分析不同关联函数的结果峰值通常有助于精确计算空间中 的风速和风向。
现有技术中的技术人员已知的是， 如 Ting-i Wang 等人的著作 ( 纳入本文， 作为参 考 ) 所述， 还有其他方法用于根据关联函数计算风向量。这些方法包括 ： 测量约为 τp ＝ 0 的时差下的关联函数的坡度， 测量表示位置 A 与位置 A 的关联性的自关联函数的宽度， 和/ 或测量自关联函数与关联函数的交点。 所有这些参数都用于基本精确地计算由激光风速计 测量的空间中至少两个位置之间的风速。
本领域的技术人员应理解的是， 本发明并不限于上文具体显示和描述的内容。而 是， 本发明还包括上文所述特征的各种组合和次组合及其修改和变形， 所述修改和变形是 本领域的技术人员在阅读上文时所想到的且不属于现有技术的内容。