固体激光测风雷达扫描镜旋转控制系统
Wind Analyzer-50H扫描式脉冲激光测风雷达
Wind Analyzer-50H扫描式脉冲激光测风雷达
舒仕江;李佳
【期刊名称】《气象科技进展》
【年(卷),期】2018(8)6
【摘要】WindAnalyzer-50H激光测风雷达系统是典型的主动三维测风遥感雷达,由北京敏视达雷达有限公司自主研发,采用先进的激光技术、基于激光脉冲多普勒频移原理,根据空气中颗粒(灰尘、盐晶体、云雾水汽、污染颗粒等气溶胶)的激光后向散射回波,连续测量风速、风向、三维风廓线等信息,实时获得高时空分辨率、高精度的风场数据。
该系统性能安全稳定,最大探测距离达5 km,可有效探测机场跑道附近近地面的风场、风切变以及飞机尾涡。
【总页数】1页(P158-158)
【关键词】激光测风雷达;扫描式;最大探测距离;雷达系统;污染颗粒;风场数据;多普勒频移;时空分辨率
【作者】舒仕江;李佳
【作者单位】北京敏视达雷达有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN958.98
【相关文献】
1.使用扫描式机载激光雷达进行地形测图 [J], 王凌
2.Windcube激光雷达与测风塔测风结果对比 [J], 王乔乔;张秀芝;王尚昆
3.扫描式测风激光雷达的风场反演 [J], 李丽;王灿召;谢亚峰;董光焰
4.扫描式微脉冲激光雷达的研制和应用 [J], 张大毛;徐赤东;虞统;胡欢陵;杜其成;纪玉峰
5.合肥钠测温测风激光雷达与武汉流星雷达水平风场的对比研究 [J], 方欣;谷升阳;班超;李陶;熊建刚;宁百齐;窦贤康;王宁宁
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简述激光雷达的结构原理分类及特点
简述激光雷达的结构原理分类及特点激光雷达（Lidar）是一种利用激光技术进行距离测量的雷达系统。
其原理是通过向周围环境发射激光脉冲，然后根据激光的反射时间和强度来计算目标物体的距离和其他相关信息。
激光雷达的结构主要包括激光器、光电探测器、转台和数据处理器等组件。
激光器负责发射激光脉冲，光电探测器用于接收激光的反射信号，转台则负责控制激光束的方向。
数据处理器则负责处理和分析接收到的信号，计算目标物体的位置、速度等信息。
激光雷达的工作原理是利用光的速度是已知的而目标物体的距离就是激光反射的时间与光速的乘积，从而计算目标物体的距离。
当激光束发射出去后，它会遇到目标物体并被反射回来。
激光雷达的光电探测器会接收到反射回来的光信号，并测量其时间。
通过将时间与光速相乘，就可以得到目标物体的距离。
根据不同的应用需求和工作原理，激光雷达可以分为以下几种类型：1.机械式激光雷达：机械式激光雷达使用旋转转台来扫描激光束的方向，从而获得周围环境的三维点云数据。
机械式激光雷达具有扫描速度较快，成本相对较低等特点，但由于机械部件的限制，其可靠性和寿命相对较低。
2.固态激光雷达：固态激光雷达是使用固态光电元件来控制激光束的方向，而不需要机械转台。
固态激光雷达具有较高的可靠性和寿命，并且可以实现更高的扫描速度和分辨率。
3.接收器式激光雷达：接收器式激光雷达是将激光发射器和接收器集成在一个设备中，可以在较短距离内测量目标物体的距离和速度，适用于自动驾驶和安全监测等应用。
激光雷达具有以下几个特点：1.高精度：激光雷达可以实现高精度的距离测量，通常可达到几毫米的级别。
这使得它在自动驾驶、地图绘制等应用中具有重要的作用。
2.高分辨率：激光雷达可以提供高分辨率的三维点云数据，可以对目标物体进行精确的定位和识别。
3.长距离测量：激光雷达可以在较长的距离范围内进行测量，通常可以达到几百米或更远的距离。
4.快速扫描：激光雷达可以实现快速的扫描速度，可以在较短的时间内获取大量的数据。
Molas 3D 三维扫描测风激光雷达 使用说明书
Molas3D三维扫描测风激光雷达使用说明书南京牧镭激光科技股份有限公司目录1安全信息 (3)1.1用户需知 (3)1.2安全标识 (3)1.3激光器安全等级 (3)2产品介绍 (4)2.1雷达工作原理 (4)2.2雷达系统组成 (5)2.3产品特点 (5)2.4装箱清单 (6)2.5开箱及检查 (6)2.6产品性能 (6)2.7雷达安装点要求 (8)3产品使用及配置 (8)3.1雷达对外接口 (8)3.2设备安装 (9)3.3设备供电 (11)3.4雷达配置 (12)3.4.1工控机连接 (12)3.4.2软件启动 (12)3.4.3运行配置 (13)3.4.4数据拷贝 (18)3.5设备防护 (19)3.6包装和运输 (19)3.7注意事项 (20)4常见故障解决 (20)1安全信息感谢您选择牧镭激光公司Molas3D三维扫描激光测风雷达产品，本用户手册为您提供了重要的安全、维护、操作及其他方面的信息。
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未按照本用户使用手册使用而导致测风激光雷达设备的损坏，不在本公司的保修范围之内。
本公司提供的Molas3D三维扫描激光测风雷达设备仅供用于合法科学的测量用途。
使用雷达前，需知道雷达的主要特征及操作。
1.2安全标识表1设备标识激光辐射危险：暴露于不可见激光辐射的风险强电危险：有触电风险注意：可能造成人身伤害或者产品、设备的损坏1.3激光器安全等级Molas3D三维扫描激光测风雷达使用的激光光源符合IEC60825-1规范中人眼安全标准，Molas3D三维扫描激光测风雷达发射的光束属于红外肉眼不可见光，属于1M类激光产品，请勿使用放大镜、望远镜等光学仪器直接观看。
请勿在任何情况下拉扯、弯折雷达内部的光纤，不要在任何环境下拆卸光纤输出装置、激光器等光学模块。
简述激光雷达的结构、原理、分类及特点。
简述激光雷达的结构、原理、分类及特点。
激光雷达是一种利用激光技术进行距离测量和目标探测的高精度、高可靠性的雷达系统。
它具有结构简单、测量精度高、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于无人驾驶、智能交通、机器人等领域。
本文将从结构、原理、分类及特点四个方面对激光雷达进行简述。
一、激光雷达的结构激光雷达一般由激光器、扫描装置、接收器、信号处理器等组成。
其中，激光器用于发射激光束，扫描装置用于控制激光束的扫描方向，接收器用于接收反射回来的激光信号，信号处理器用于对接收到的信号进行处理和分析。
二、激光雷达的原理激光雷达的原理是利用激光束在空间中的传播和反射来实现距离测量和目标探测。
当激光束照射到目标物体上时，一部分激光能量被物体吸收，另一部分激光能量被反射回来。
接收器接收到反射回来的激光信号后，通过计算激光束的往返时间和光速的值，可以确定目标物体与激光雷达的距离。
同时，通过对激光束的强度、频率等参数的分析，还可以获得目标物体的其他信息，如形状、速度等。
三、激光雷达的分类根据扫描方式的不同，激光雷达可以分为机械式激光雷达和固态激光雷达两种类型。
1.机械式激光雷达机械式激光雷达使用旋转镜片或机械臂等装置来控制激光束的扫描方向。
由于其结构简单、成本低廉等优点，机械式激光雷达在早期的无人驾驶、机器人等领域得到了广泛应用。
但是，机械式激光雷达的扫描速度较慢，对目标物体的探测精度也较低。
2.固态激光雷达固态激光雷达使用电子控制器控制激光束的扫描方向，不需要机械装置。
固态激光雷达具有扫描速度快、精度高、可靠性高等优点，因此在现代无人驾驶、智能交通等领域得到了广泛应用。
四、激光雷达的特点激光雷达具有以下几个特点：1.高精度：激光雷达的测量精度可以达到毫米级别，远高于传统雷达系统。
2.远距离探测：激光雷达可以在百米甚至千米的距离范围内进行目标探测。
3.抗干扰能力强：激光雷达的测量结果不受光照、雨雪等自然环境的影响，抗干扰能力强。
简述激光雷达的结构、原理、分类及特点。
简述激光雷达的结构、原理、分类及特点。
激光雷达是一种高精度、高分辨率、高可靠性的测量设备，广泛应用于自动驾驶、地形测量、工业检测等领域。
本文将从激光雷达的结构、原理、分类及特点等方面进行简述。
一、激光雷达的结构激光雷达通常由激光器、光学系统、控制系统、接收器、信号处理器等组成。
1. 激光器：激光器是激光雷达的核心部件，通常采用半导体激光器或固体激光器，能够发射高功率、高频率的激光束。
2. 光学系统：光学系统包括发射光学系统和接收光学系统。
发射光学系统负责将激光束聚焦成一束细小的光束，以便将激光束精确地照射到目标物体上。
接收光学系统负责收集目标物体反射回来的激光信号，并将其转化为电信号。
3. 控制系统：控制系统是激光雷达的智能核心，负责控制激光器的发射和接收，以及激光束的聚焦和扫描。
4. 接收器：接收器是激光雷达的另一个核心部件，负责接收目标物体反射回来的激光信号，并将其转化为电信号。
接收器的性能直接影响激光雷达的精度和分辨率。
5. 信号处理器：信号处理器负责对接收到的激光信号进行处理和分析，提取目标物体的位置、距离、速度等信息，并将其传递给控制系统进行下一步处理。
二、激光雷达的原理激光雷达的原理是利用激光束与目标物体之间的相互作用，通过测量激光束的反射或散射来确定目标物体的位置、距离、速度等信息。
当激光束照射到目标物体上时，部分激光束会被目标物体吸收，部分激光束会被目标物体反射或散射。
接收器收集到反射或散射的激光信号后，通过计算激光束的传播时间和速度，可以确定目标物体的距离和速度。
同时，通过对激光束的反射或散射特征进行分析，可以确定目标物体的位置、形状等信息。
三、激光雷达的分类激光雷达可以按照使用的激光类型、扫描方式、工作原理等多种方式进行分类。
以下是常见的分类方式：1. 激光类型：根据激光类型的不同，激光雷达可以分为固体激光雷达和半导体激光雷达。
固体激光雷达通常使用固体材料作为激光介质，具有高功率、高频率等优点；半导体激光雷达通常使用半导体材料作为激光介质，具有体积小、功耗低等优点。
激光雷达扫描方式【详解】
激光雷达作为一种主动遥感探测技术和工具已有近60年的历史，目前广泛用于地球科学和气象学、物理学和天文学、生物学与生态保持、军事等领域。
其中，传统意义上的激光雷达主要用于陆地植被监测、激光大气传输、精细气象探测、气候预测、海洋环境监测等。
随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展，激光雷达在遥感探测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。
尤其在大气探测方面取得显著发展，对各种参数的测量空间覆盖高度已经可以实现从地面到120km的高度，其应用前景得到普遍的关注。
激光雷达按扫描方式分类:1、MEMS型激光雷达MEMS 型激光雷达可以动态调整自己的扫描模式，以此来聚焦特殊物体，采集更远更小物体的细节信息并对其进行识别，这是传统机械激光雷达无法实现的。
MEMS整套系统只需一个很小的反射镜就能引导固定的激光束射向不同方向。
由于反射镜很小，因此其惯性力矩并不大，可以快速移动，速度快到可以在不到一秒时间里跟踪到2D 扫描模式。
2、Flash型激光雷达Flash型激光雷达能快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦，它运行起来比较像摄像头。
激光束会直接向各个方向漫射，因此只要一次快闪就能照亮整个场景。
随后，系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。
Flash LiDAR有它的优势，当然也存在一定的缺陷。
当像素越大，需要处理的信号就会越多，如果将海量像素塞进光电探测器，必然会带来各种干扰，其结果就是精度的下降。
3、相控阵激光雷达相控阵激光雷达搭载的一排发射器可以通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向。
目前大多数相控阵激光雷达还在实验室里呆着，而现在仍停留在旋转式或MEMS 激光雷达的时代，4、机械旋转式激光雷达机械旋转式激光雷达是发展比较早的激光雷达，目前技术比较成熟，但机械旋转式激光雷达系统结构十分复杂，且各核心组件价格也都颇为昂贵，其中主要包括激光器、扫描器、光学组件、光电探测器、接收IC以及位置和导航器件等。
3维激光测风雷达技术研究
3维激光测风雷达技术研究李策;赵培娥;彭涛;冯力天;周杰;罗雄;周鼎富【摘要】In order to accurately measure the 3-D real-time atmospheric wind field to cope with the problems of low-level wind shear during aircraft take-off and landing, a compact 3-D Doppler wind lidar was developed by using Doppler beam swinging (DBS) principle.The wind field data obtained by the lidar were compared with the anemometry data with the other standard equipments.It turned out that the effective measurement of atmospheric wind field was achieved by the lidar under both sunny and cloudy weather conditions.The root mean square errors of wind speed and wind direction were 0.42m/s and 5.33° respectively.The lidar, with high precision and good stability, plays an important role for wind shear warning, the forecast of low-level atmospheric wind field and wind field measurement of aircraft flight channel.%为了精确测量3维大气风场的实时状态以应对低空风切变在飞行器起降过程中给飞行器带来的多种问题,通过DBS四波束风场反演原理研制出一款小型3维激光测风雷达.对大气风场展开测风试验并获取风场数据,并与其它标准测风设备的数据对比分析.结果表明,雷达在晴天和阴天的天气状况下均可以实现对大气风场的有效测量,风速均方根误差0.42m/s,风向均方根误差5.33°.该雷达精准度高、稳定性好,对风切变预警、中低空大气风场预报及飞行器飞行通道的风场测量具有重要作用.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2017(041)005【总页数】5页(P703-707)【关键词】激光技术;激光测风雷达;3维扫描;相干探测;多普勒;风场比对【作者】李策;赵培娥;彭涛;冯力天;周杰;罗雄;周鼎富【作者单位】西南技术物理研究所,成都 610041;西南技术物理研究所,成都610041;西南技术物理研究所,成都 610041;西南技术物理研究所,成都 610041;西南技术物理研究所,成都 610041;西南技术物理研究所,成都 610041;西南技术物理研究所,成都 610041【正文语种】中文【中图分类】TN958.98相干多普勒激光测风雷达是近年来发展起来的一种新型大气风场探测仪器，能够连续、实时、准确地获取大气风场数据，具有测量精度高、实时性强等优点。
激光多普勒测风雷达鉴频系统的自动化控制
激光多普勒测风雷达鉴频系统的自动化控制测风激光雷达在全球风场和机场风切变等探测中发挥重要作用,而其自动化控制是保证雷达正常、稳定运转及精确、高效工作必不可少的一个部分。
本论文就测风雷达的自动化控制展开研究。
首先对激光多普勒测风雷达系统的总体控制方案进行了设计。
然后以雷达的鉴频系统为重点,设计了其自动化控制方案并在硬件设备和软件程序上实现。
最后通过实验来检测了鉴频控制系统的可行性。
论文的核心部分是测风雷达鉴频系统自动化控制的方案设计和实现。
在实现控制系统硬件设备的基础上,利用VC++编写了主控计算机对鉴频相关设备的监控软件。
控制系统实现的功能主要有:鉴频F-P标准具透过率角度调谐曲线的扫描,标准具初始工作点的定位,以及鉴频数据的采集和处理。
自动化监控程序的两个关键技术是串口通信和GPIB通信。
串口通信程序实现主控计算机与控制单片机之间的通信,单片机根据用户要求驱动步进电机携带F-P标准具按设定的方向和角度转动到指定位置。
主控计算机通过GPIB接口从采集示波器读取测量的光强数据。
实验部分主要包括四个方面:鉴频激光特性的测量和分析;控制系统精度测量;鉴频F-P标准具透过率角度调谐曲线的扫描和初始工作点定位;硬目标回波信号的测量和分析。
实验中设计了鉴频自动化控制系统的检验方法。
在自动化控制下进行F-P标准具透过率曲线的扫描,得到的扫描曲线与理论曲线变化规律一致。
运行定位程序将标准具定位到工作点进行光强测量,得到的结果与扫描曲线上该点的光强差值为2.8%,而定位误差小于2.6μrad。
实验证明,控制系统能够实现鉴频F-P标准具透过率曲线的扫描和工作点的定位,其定位精度能够满足鉴频系统的要求。
利用监控软件的采集程序测量了硬目标静止、正转和反转三种情况下的回波信号。
对测量数据进行处理得到硬目标转速大小,正、反转速分别为5.1m/s和-3.9m/s,而利用转速计测量的值为4.7m/s和-4.3m/s,两个方向的测速差值均小于0.5m/s。
激光雷达测风技术.完整版PPT文档课件
大气风场数据获得的手段
1. 地球外表观测系统 2. 地面、海面、风散射仪等，只能提供外表大气层的数据 3. 高空单层大气观测系统 4. 机载和星载的云图变化的风场推算数据，该方式覆盖范围受限 5. 高空多层大气观测系统 6. 无线电探空仪和卫星探测器，无线电探空仪能够提供风场的垂直
1.
单掺杂2m激光器〔室温，低能量〕
2.
Tm: YAG 〔钇铝石榴石〕
3.
Tm: LuAG 〔镥铝石榴石〕
4.
双掺杂2m激光器〔低温，高能量〕
5.
Tm, Ho: YAG〔钇铝石榴石〕
6.
Tm, Ho: YLF〔氟化钇锂〕激光器
7.
Tm, Ho: GdVO4〔钒酸钆)
双F-P标准具多普勒检测
Mie散射和分子散射速度测量
中心ν10 中心ν20 双通道F-P标准具
中心ν10 中心ν20 双通道F -P标准具
NASA/Goddard车载测风激光雷达
参数 激光器：波长 脉冲能量 重复频率 望远镜：口径 FOV 扫描方式 测量范围 距离分辨率
指标 355nm 70mJ 50Hz 45cm 0.2mrad XY双轴半空间 1.8~35km 0.25km@<3km 1km@>3km
上式还可表示为：
a：补偿量，b:振幅，max 周相位移动
DBS 扫描矢量风场反演
VRZ, VRE, VRN 分别是径向速度垂直、东向倾斜和北向倾斜分量
γ-天顶角
改进型DBS扫描矢量风场反演
激光雷达波束分别是垂直向、向北、向东、向南和向西
VR > 0, w > 0, u > 0, v > 0
相干激光测风雷达结构
拆解后的固态激光雷达全面介绍
拆解后的固态激光雷达全面介绍固态激光雷达（Solid-state LiDAR）是一种新型的激光雷达技术，相对于传统的旋转式激光雷达，它采用固态光电器件取代了旋转部件，使其具备更高的可靠性、稳定性和精度。
下面是对拆解后的固态激光雷达进行全面介绍。
首先，拆解后的固态激光雷达主要由以下几个部件组成：光源、光电探测器、光导系统、控制电路和外壳。
光源是固态激光雷达的核心部件之一，它通常采用激光二极管或半导体激光器。
激光二极管通过电流激发产生激光束，激光器产生的激光具有较高的单色性和方向性。
光源的稳定性和功率峰值对整个固态激光雷达的性能有重要影响。
光电探测器用于接收回波激光，它通常采用光电二极管、光电倍增管或光探测器阵列等。
光电探测器将接收到的激光信号转换为电信号，并通过控制电路进行处理和分析。
光导系统用于引导激光束的传输和接收回波激光。
光导系统通常由光纤、透镜和光学调制器等组成。
光纤是固态激光雷达中用于传输激光的关键部件，它能够将激光束稳定地传输到目标区域，并将接收的回波激光传回光电探测器。
控制电路是固态激光雷达的核心部件之一，它用于控制固态激光雷达的运行和数据处理。
控制电路通常由微控制器、数字信号处理器（DSP）和模拟电子元件等组成。
微控制器用于控制激光源的开关和光电探测器的工作模式，DSP用于对接收到的激光信号进行处理和分析，模拟电子元件用于信号放大和滤波等。
外壳是固态激光雷达的保护壳体，它用于保护内部组件免受外界环境的影响。
外壳通常采用金属或塑料材料制成，具有较高的强度和防护性能。
拆解后的固态激光雷达具有多种优势。
首先，固态激光雷达采用固态光电器件，摒弃了传统激光雷达中的旋转部件，使其具备了更高的可靠性和稳定性。
同时，固态激光雷达的精度也得到了显著提升，能够实现更准确的目标检测和测量。
其次，固态激光雷达具有较小的体积和重量，能够更方便地集成到车辆、机器人等设备中。
这使得固态激光雷达在自动驾驶、智能机器人等领域有着广泛的应用前景。
固体相干测风激光雷达结构
固体相干测风激光雷达结构你有没有想过，风到底是从哪里来的呢？通常我们都知道，风是空气流动的结果，跟天气变化、温度差异有关系。
但是，别小看这股看不见摸不着的气流哦，它可不简单！科学家们早早就开始研究风，甚至用高科技的方式来“听风”的声音，尤其是在天气预报、气候研究这些领域。
今天咱们来聊一聊一种很酷的东西——固体相干测风激光雷达，别看名字听起来有点复杂，实际上它就是用激光来“看”风的设备。
想象一下，你站在窗前，外面风儿吹得呼呼响，这个雷达就像是能透过窗户“瞪”着空气，帮你判断风到底是从哪里来的、吹得有多猛。
这种雷达说实话还挺神奇的，光是它的名字就很有“未来感”——固体相干、测风、激光、雷达，放在一起，好像一部高科技大片的标题！不过，说起来，虽然它的名字像是从科幻电影里蹦出来的，但它的工作原理其实挺简单的。
你可以想象一下，一束激光从雷达发射出去，碰到空气中的微小颗粒（比如尘土、雾气啥的）就会发生散射，雷达接收到这些散射回来的光线，就能推算出风速风向。
这就好比你用手机拍风景，风景中的每个小细节都能在照片里显现出来，不过这个“照片”是通过激光来拍的，懂了吗？可能你会问，这个设备有什么特别的地方，为什么不直接用传统的风速计测量呢？好吧，传统的风速计确实能测风速，但它们有个大问题——只能测量某一个点的风速。
你能想象一下，要是你要知道整个城市的风速，得跑到每一个地方去安个风速计，那效率简直低到爆！而且传统设备也受限于环境，风速计一旦有点损坏，数据就会不准。
固体相干激光雷达则不一样，灵活多了。
它就像是一双无所不见的眼睛，能在很大的范围内实时监测风的变化，精度也高。
风吹过来了，它就能告诉你风是怎么吹的，不管是大风还是小风，甚至连风的“脾气”都能捕捉到。
听起来是不是很牛逼？而且说到这设备的优势，它还能在各种复杂环境下工作。
你知道，空气中总是有各种各样的干扰物：树木、建筑、各种烟雾雾霾啥的，这些东西会影响传统设备的测量。
一种扫描转镜的结构设计
一种扫描转镜的结构设计摘要：随着人类社会的发展和时代的进步，对天气状况的预测要求也越来越高，激光雷达使微波雷达的重要补充，可以高精度、实时测量大气风场。
扫描转镜是激光雷达的重要组成部分，实现激光在伺服系统控制下按要求的方位和俯仰转动的机械装置。
本文设计了一种结构紧凑、密封性好、重量轻的扫描转镜，文中详细描述了该扫描转镜的结构特征，计算了其传动系统的相关参数，并通过有限元软件对其主要结构件进行力学仿真分析。
文中所述扫描转镜对激光雷达设计具有指导意义。
关键词：扫描转镜；驱动力矩；传动系统；风力矩。
One Structure Design Of Rotating Scan MirrorHE Yonghong，JIA Jian（Nanjing NRIET Industrial Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China）Abstract：With progress of human society and development of time，the demand of weather forecast is more and more exactitude.The laser radar can survey wind more exact in real time which is a most important complementarity of microwave radar.The rotating scan mirror is an important part of laser radar，which is a mechanical device to realize the required azimuth and elevation rotation of laserunder the control of servo system.In this paper a rotating scan mirror with compact structure，good sealing and light weight is designed，the structural characteristicsare described in detail，the relevant parameters of its transmission system are calculated，and the mechanical analysis of the main structural parts is carried out.Key words：rotating scan mirror；driving moment；transmission system；wind moment引言目前，由于微波雷达不具有晴空探测能力，而激光测风雷达由于相对于微波来说波长较短，大气的后向散射强。
基于激光测风雷达的风速前馈控制算法设计
基于激光测风雷达的风速前馈控制算法设计林淑;兰杰;莫尔兵;林志明;王其君【期刊名称】《东方汽轮机》【年(卷),期】2017(000)002【摘要】文章提出了基于激光测风雷达的风速前馈控制算法设计,其特点是通过激光雷达准确有效地测得风力发电机组前方一定距离的风速、风向信号,并把所测信号引入到原有变桨控制算法中,设计了风速前馈控制器,实现变桨速率前馈补偿.以国产某1.5 MW风力发电机组设计为例,基于Bladed软件平台对所采用的算法进行仿真验证.结果表明,在来流作用于风轮之前,控制器就已经接收到超前信号,提前准备变桨动作,避免或大大减少风力发电机组的超速故障,降低了机组载荷,提高了风力发电机组在极端风况下的安全性,进而有助于提高发电量,改善风力发电机组的运行效率.【总页数】6页(P51-55,60)【作者】林淑;兰杰;莫尔兵;林志明;王其君【作者单位】东方电气风电有限公司,四川德阳,618000;东方电气风电有限公司,四川德阳,618000;东方电气风电有限公司,四川德阳,618000;东方电气风电有限公司,四川德阳,618000;东方电气风电有限公司,四川德阳,618000【正文语种】中文【中图分类】TP273【相关文献】1.基于风速模型的风电机组动态转矩\r前馈控制技术 [J], 关中杰;鲁效平;李钢强;王军龙2.基于激光测风雷达的机场低空风切变识别算法 [J], 范琪;郑佳锋;周鼎富;朱克云;张杰;童文皓;罗雄3.基于激光测风雷达的低空急流结构特征研究 [J], 黎倩;郑佳锋;朱克云;张文玲;许皓琳;张杰4.基于激光测风雷达的西安重污染天气过程特征指标 [J], 刘芳霞;唐智亿;刘嘉锡;张雅斌;王丽5.基于激光测风雷达的两种低空风切变告警算法对比研究 [J], 张开俊;伏龙延;李兰倩;邵爱梅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
激光雷达获取三维点云的原理
激光雷达获取三维点云的原理
激光雷达是一种常用的感知设备，可以通过发射激光束并测量其反射时间来获取三维点云数据。
激光雷达的原理基于激光的光电转换和测距技术，具有高精度、高分辨率和长测距等特点。
激光雷达由激光发射器、接收器、扫描系统和控制电路等组成。
激光发射器通过电流或脉冲激发激光晶体产生激光束，然后通过透镜或光纤将激光束聚焦并发射出去。
激光束经过一段距离后，会与环境中的物体相互作用，一部分光会被反射回来。
接着，接收器接收到反射回来的光，并将其转换为电信号。
接收器通常由光电二极管或光电探测器组成，能够将光信号转换为电信号。
接收到的反射光信号的强度和时间信息被记录下来，用于后续的数据处理。
然后，激光雷达的扫描系统会对激光束进行扫描。
扫描系统通常由旋转镜或机械转台组成，可以使激光束以一定的角度范围进行扫描。
通过不断地改变激光束的方向，可以实现对整个环境的全方位扫描，从而获取更多的点云数据。
激光雷达的控制电路会对接收到的数据进行处理和整合。
控制电路可以对接收到的激光束信息进行解码和校正，提取出每个激光束的位置和距离信息。
通过将不同激光束的位置和距离信息整合在一起，就可以得到一个完整的三维点云数据。
总结起来，激光雷达获取三维点云的原理是通过发射激光束并测量其反射时间来获取物体的位置和距离信息。
激光雷达通过激光发射器发射激光束，接收器接收反射回来的光信号并转换为电信号，扫描系统对激光束进行扫描，控制电路对接收到的数据进行处理和整合，最终得到一个完整的三维点云数据。
激光雷达以其高精度和高分辨率的特点，在自动驾驶、机器人导航、环境建模等领域得到广泛应用。
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固体激光测风雷达扫描镜旋转控制系统X张 博 刘智深 张凯临 黄海龙(中国海洋大学海洋遥感研究所,海洋遥感教育部重点实验室,青岛266003)摘 要: 多普勒激光测风雷达是近年来方兴未艾的1种全新的大气风场探测手段。
但是激光测风雷达直接测量的是视线方向上的激光反射光的频移(视线风速)。
在这个基础上,激光雷达还必须能够获得多方位的风速数据才能够反演出风场。
这就需要相应的光学扫描系统,它在保证发射、接收视场重叠的前提下,控制激光束投射到指定的方向,使激光雷达获得不同视线角度的风速数据。
本文介绍的激光雷达测风系统中的光学扫描部分实现了上述要求,在水平旋转和俯仰控制上的精度都达到了<0.5°。
完全能够满足激光测风系统的实用需要。
关键词: 激光测风雷达;扫描镜;单片机;扫描控制中图法分类号: P 715.7 文章编号: 1001-1862(2003)04-621-06多普勒激光测风雷达是1种全新的大气风场探测手段。
激光测风雷达直接测量的是视线方向的激光频移(视线风速),既然要探测大气的风场,激光测风雷达必须能够探测多方位的风速数据来反演风场。
要保证这一点,就需要相应的光学机械扫描、接收系统。
法国CNRS (科学研究院)著名的测风激光雷达不使用扫描转镜系统[1],而是整个发射与接收系统三维转动。
美国国家天文与电离层中心著名的测风激光雷达[2]使用的是双转镜系统。
本文讨论的即是双转镜系统。
激光测风雷达集成了精密的光学发射、接收系统,因而整个光学扫描系统在实现多方位(2P 立体角)扫描的同时,还要保证发射视场和接收视场的严格重合。
另外由于整个系统要在室外,甚至野外工作,对各种恶劣条件下的防尘、防雨问题也应有必要的考虑。
整个激光雷达测风系统的扫描、数据采集、处理都由计算机控制,目的是要实现一定的自动化,因此光学扫描系统的程序控制和精确的角度定位是必不可少的。
另外,为了实验调试的方便,还开发了附加的手动控制系统,它的好处是操作直观、灵活性大。
本激光雷达测风系统中的光学扫描部分在水平旋转和俯仰控制上都达到了<0.5°的精度。
从实际使用情况来看,该系统工作可靠,操作灵活,定位准确。
1 扫描镜系统的构成整个扫描系统主要由机械扫描转镜、控制系统和PC 机软件(接口)3部分组成:其中第1部分是整个扫描系统的机械框架,它通过两面反射镜实现了发射、接收视场在半第33卷 第4期 2003年7月 青岛海洋大学学报JOURNAL OF OCEAN UNIVERS ITY OF QINGDAO 33(4):621～626J uly,2003X 国家高技术研究发展计划(863)十三主题项目(2002AA135280);国家自然科学基金项目(40176011)资助收稿日期:2002-06-17;修订日期:2003-04-18张 博,男,1977年11月出生,硕士。
球空间内的2P 立体角扫描,同时确保了2个视场的重叠。
控制系统的主要作用是由单片机电路接收PC 的指令,控制步进电机驱动机械部分的转盘和转镜,同时监测其角度信息,保证机械部分的精确定位并将监测信号反馈给主机。
PC 部分通过串口和下一级(单片机电路)进行通讯,发出指令指挥着单片机去控制扫描机械部分,实际上它只是测风系统软件控制部分的1个子模块。
1.1扫描镜(机械部分) 激光雷达系统内最初发射的激光束的指向是固定的,机械部分的作用就是能够动态改变激光束的方向,使其能够在半球(2P 立体角)范围内扫描,并且要求有一定的定位精度,其扫描空间示意图见图1。
扫描镜机械部分由3部分组成:●水平转盘●垂直转镜●转动臂水平转盘可以在水平方向转动,用来控制激光扫描光束H 角的变化(球坐标表示),而垂直转镜则负责另一维(U 角)的控制。
垂直转镜部分的工作原理参看图2。
水平转盘和垂直转镜都是由步进电机(受单片机电路控制)驱动的。
图1 转镜扫描空间角度示意Fig .1 Schem e ofscanning 图2 转镜工作原理示意Fig .2 Sketch map o f the scanning mir ro rs转动臂上装有导轨和电机,用推拉的方式开启和关闭防尘罩。
因为系统内有许多光学器件,防尘罩的设计是非常必要的。
图3 扫描镜实物照片Fig .3 A pho to gr aph o f the sca nning sy stem扫描系统控制要求û转盘:<旋转角度:0°～360°(实际使用中只用到0°～180°)<旋转精度:0.5°以内û转镜:<旋转角度:0°～180°<旋转精度:0.5°以内整个机械部分(已摘掉防尘罩)的实物外形照片请见图3。
1.2控制系统 控制系统的作用是接收PC 机的指令,产生一定的控制时序送给电机驱动器来操纵步进电机(共有3个)的动作,使转盘和转镜按照需要转动,同时监测角度传感器确保扫描系统的精确定位。
控制系统组成:●单片机控制电路(见图4) ●电机驱动器 ●旋转角度检测电路622青 岛 海 洋 大 学 学 报2003年图4 控制系统框图F ig.4 Block diagr am o f contr ol sy stem 单片机电路使用89C51作为核心,通过RS -232串口与计算机通讯。
PC 机将要转动的命令、参数等通过串口发给89C51,89C51经过计算产生一定的时序去控制电机驱动器,同时89C 51也负责监测角度信息,以期获得预定的转动精度。
扫描系统转动完毕,89C51再通过串口将结果反馈给PC 主机。
电路上集成了多个LED 作为指示,整个电路的工作状态一目了然,方便了调试和系统检错。
为了保证电路工作的安全性,在单片机电路和电机驱动器之间加了光电隔离,其工作流程图见图5。
另外,开发了附加的手动控制系统,它的好处是调试方便、操作直观、灵活性大(图6)。
图5 单片机工作的流程图Fig.5 Flow char t of singlechip 图6 控制手柄及控制盒F ig.6 P icture o f manual co nt ro l mo dule扫描系统的驱动动力来自3个步进电机,驱动器作为控制电路和电机之间的中介,它可以将输入的T TL 电平的控制信号转换成电机需要的驱动电流。
在这里,驱动器选用的是技术成熟的产品。
要保证扫描系统的精度,需要准确的定位装置(包括起始位置和转动角度的定位),针对转盘和转镜不同的工作特点,采用不同的角度监测方案:控制起始位置:●转盘:光电接收[3] ●转镜:近触开关控制转动角度:●转盘:码盘+光电接收●转镜:控制电机步进脉冲码盘装在驱动转盘的步进电机的底部,跟随电机转子一起转动,由光电对管对码盘的转动进行计数,计数信号送到单片机,单片机再根据转盘的起始信号和码盘的计数值就可以知道转盘的当前位置。
使用码盘而不使用电机步进脉冲计数的好处:一方面,可以精确测量转盘实际的转动角度;另一方面,由于转盘质量比较大,步进电机不可能对步进控制脉冲完全响应(尤其是在起步时),码盘可以消除由于步进电机的不稳定带来的控制角度的误差。
码盘的外形示意图见图7。
精度是本控制系统最关键的指标,影响精度的主要因素有以下几点:< 步进电机本身的精度< 传动系统的好坏6234期张 博,等:固体激光测风雷达扫描镜旋转控制系统图7 码盘的示意图Fig.7 Sketch map o f counter disc< 转盘抖动< 外力的干扰本系统采用提高精度的措施:< 直接控制步进电机脉冲数(只对转镜)< 使用减速器< 增加码盘齿数< 软件优化(去抖)< 减速器的使用由于受制造工艺和电机步距的限制,码盘的齿数不可能很多,这就意味着不可能单纯通过码盘来提高精度。
为此加装了9∶1的减速器,减速器的作用:< 减速器可以显著的改善控制精度< 改善步进电机的起动特性(理想情况下驱动力量加大9倍)< 还可以防止由外力(如大风)引起的转盘的突发性转动目前采用的精度控制方案:●水平转盘:以码盘记数为主要控制手段,并加入1∶9的减速器以及软件优化。
●垂直转镜:直接控制步进电机的步进脉冲。
控制精度计算:控制精度=360°/N +RN 为转盘旋转1周的监测脉冲计数(示意图见图8);R 为齿轮配合间距,这与齿轮的机械加工精度有关。
图8 转盘的计数脉冲Fig.8 T he pulses o f the co unt er目前系统控制精度:●水平转盘:控制精度理论可达0.3°,实际<0.5°。
●垂直转镜:控制精度理论可达0.1°,实际<0.5°。
1.3PC 机软件 PC 软件的作用是与单片机电路通讯(使用RS 232串口),发送指令接收回馈信息。
具体工作工程是这样的:PC 软件将需要转动的电机号、转动方向、转动角度等信息发送给单片机,扫描系统完成动作后返回给PC 机1个“完成”的信号,PC 软件就可以继续下一步的操作了。
这里所说的软件主要由2部分:1个是由DELPHI 编写的、独立的扫描转镜控制软件,它可以实现扫描部分的所有功能,主要用于测风系统的分离调试和测试试验阶段,也相当于1个扫描系统的自我监测软件;另一部分是用V C ++编写的1个函数库,它作为1个模块被添加到整个激光测风雷达的控制软件(由VC 编写)中,主软件通过函数接口与之通讯。
下面将对2部分软件分别进行介绍。
独立的扫描镜控制软件界面如图9所示,它是用DELPHI 编写的。
可以执行扫描系统的624青 岛 海 洋 大 学 学 报2003年所用功能:转镜初始化、复位、转动到固定角度、开/关防尘罩等。
这个软件可以准确显示出当前扫描系统的状态,并且具备相对较好的人机交互功能,可以用鼠标拖动指针来控制扫描系统的动作,也可以指定转动的目的角度(这样更精确)。
另外,该软件还可以打开附加的调试窗口,记录、显示与单片机的所有通讯过程,这在系统测试、调整过程中是非常有用的。
图9 控制软件界面F ig.9 Int erface o f co ntro l so ftware 图10 总系统软件Fig.10 I nt erface o f entire sy st em so ftw ar e本文的最终目的是要将扫描镜控制部分整合到整个测风雷达控制软件里(见图10),因为测风雷达的主软件是用V C 编写的,因此作者将这一部分用VC 重新编写[4],以模块(类)[5]的形式整合到主软件里,它的功能可以通过一定的函数来调用。
2 结论及分析2.1系统综合性能评述 在实用中,该扫描系统工作可靠、操纵灵活、定位准确,能够较好地满足测风系统的要求。