石家祥，宋小全,2，吳松華,2，戚一麟，陳清源，張凱臨*

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 海洋技術(shù)系，山東 青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；3.青島鐳測(cè)創(chuàng)芯科技有限公司，山東 青島 266101)

1 引 言

我國(guó)風(fēng)能資源分布廣闊，風(fēng)電技術(shù)相對(duì)成熟且對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)與減排降污至關(guān)重要。近年來(lái)，隨著風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的大幅增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)和故障檢修的難度在逐年提升，各種事故造成的損失難以承受，可靠的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析技術(shù)是機(jī)組正常運(yùn)行的必要保障[1]。目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障分析方法主要有五種：傳感器檢測(cè)法、紅外熱成像檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法和無(wú)人機(jī)巡檢法。傳感器檢測(cè)法是通過(guò)預(yù)先在風(fēng)機(jī)重要部位安裝傳感器，根據(jù)傳感器反饋信息判斷風(fēng)機(jī)是否出現(xiàn)異常，從而達(dá)到對(duì)風(fēng)機(jī)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)和診斷的目的[2]。紅外熱成像法是利用外加熱源對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行熱激勵(lì)，激勵(lì)源產(chǎn)生的熱量會(huì)在目標(biāo)物表面擴(kuò)散并形成溫度場(chǎng)，熱成像儀器采集圖像并進(jìn)行處理，進(jìn)而獲得風(fēng)機(jī)表面的狀態(tài)信息[3]。聲發(fā)射檢測(cè)法是一種遙測(cè)法，這種方法通過(guò)檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂產(chǎn)生的應(yīng)變波來(lái)判斷是否發(fā)生異常情況[4]。超聲波檢測(cè)法通過(guò)檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)缺陷造成超聲波傳播路徑的變化，進(jìn)而獲得缺陷信息，這種方法可用于檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)表面或內(nèi)部缺陷[5]。無(wú)人機(jī)巡檢法通常是由無(wú)人機(jī)攜帶光學(xué)檢測(cè)儀器對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行攝影，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行后期處理獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的狀態(tài)信息[6-7]。

隨著激光雷達(dá)整體性能的提升，它在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸成熟，可以用于風(fēng)場(chǎng)湍流測(cè)量[8]、風(fēng)機(jī)尾流測(cè)量[9]、風(fēng)機(jī)偏航控制[10]、風(fēng)場(chǎng)風(fēng)廓線測(cè)定[11]、風(fēng)機(jī)功率曲線驗(yàn)證[12]、風(fēng)場(chǎng)低空風(fēng)切變測(cè)量[13]等。按照安裝位置，激光雷達(dá)遙測(cè)可分為陸基式(或稱地基式)、?；胶团摶?或稱機(jī)艙式)三類。陸基式通常直接安裝在地面[14]；?；酵ǔ?huì)安裝在艦船、浮筒或海上固定平臺(tái)[15-16]；艙基式的安裝位置為風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙上方或整流罩內(nèi)[17]。國(guó)外涉及到風(fēng)電領(lǐng)域的商品化激光雷達(dá)主要有法國(guó)ZephIR公司的ZephIR 300、ZephIR 300M、ZephIR DM；法國(guó) LEOSPHERE 公司的WindCube V2、WindIris、WindCube 100S/200S；英國(guó)SgurrEnergy公司的Galion G250與Galion G4000。國(guó)內(nèi)主要有南京牧鐳激光科技有限公司的Molas B300、Molas NL、Molas M300等；青島鐳測(cè)創(chuàng)芯科技有限公司的WindHorizon H400、WindMast WP350等，以及首臺(tái)國(guó)產(chǎn)海上漂浮式測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)WindMast 350-MB。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)有高頻和低頻之分，在遭遇強(qiáng)風(fēng)等瞬態(tài)沖擊載荷事件時(shí)，機(jī)體會(huì)形成類似于扭動(dòng)的低頻振動(dòng)[18]，受數(shù)據(jù)更新頻率的限制，激光雷達(dá)更適合對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行探測(cè)。激光雷達(dá)的遙測(cè)方法在擁有傳統(tǒng)遙測(cè)方法優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，受地形和操作人員水平的限制更小。在激光雷達(dá)性能快速提升的前提下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)的多普勒激光雷達(dá)遙測(cè)技術(shù)展現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文采用合理的遙測(cè)方式與數(shù)據(jù)處理方法，利用多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)低頻振動(dòng)的遠(yuǎn)距離測(cè)量，獲取了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)速度及振動(dòng)頻率等信息。

2 多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)及遙測(cè)原理

2.1 多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)

試驗(yàn)中使用的激光雷達(dá)型號(hào)為Wind3D 6000，這是一種由中國(guó)海洋大學(xué)與青島鐳測(cè)創(chuàng)芯科技有限公司聯(lián)合研制的多普勒激光雷達(dá)。它利用光學(xué)拍頻原理實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的探測(cè)，利用脈沖測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量[19]，具有速度分辨率高、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)[20]。

Wind3D 6000帶有伺服系統(tǒng)，具有地面以上全方位探測(cè)的能力，掃描模式包括PPI、RHI等[21]，還可根據(jù)需要自行設(shè)定掃描模式。圖1為Wind3D 6000激光雷達(dá)。

圖1 Wind3D 6000激光雷達(dá)Fig.1 Photo of Wind3D 6000 lidar

Wind3D 6000系統(tǒng)的種子源選用的是分布反饋式摻鉺光纖激光器(Distributed Feedback Er+Dopted Fiber Laser,DFB-EDFL)，激光波長(zhǎng)為1 550 nm，屬于近紅外波段[22]。最大徑向數(shù)據(jù)更新率為10 Hz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，可對(duì)5 Hz以下的低頻振動(dòng)進(jìn)行探測(cè)。速度探測(cè)范圍約為-37.5～37.5 m/s，對(duì)大氣目標(biāo)的探測(cè)距離為45～6 000 m，測(cè)速精度為0.1 m/s，當(dāng)用于探測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，由于回波信號(hào)的信噪比會(huì)有較大提升以及增加了離散頻譜校正，其測(cè)量精度得到進(jìn)一步的提高。表1為激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

表1 激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能指標(biāo)

2.2 風(fēng)機(jī)振動(dòng)的多普勒激光雷達(dá)遙測(cè)原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部位常見(jiàn)的低頻振動(dòng)形式通常有4種：(1)葉片的左右擺動(dòng)；(2)塔筒(塔架)的左右擺動(dòng)；(3)葉片的前后擺動(dòng)；(4)塔筒(塔架)的前后擺動(dòng)[23]。圖2為風(fēng)力發(fā)電機(jī)低頻振動(dòng)示意圖。本文在試驗(yàn)過(guò)程中，使用激光雷達(dá)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒的振動(dòng)進(jìn)行了探測(cè)，獲得了風(fēng)力發(fā)電機(jī)在激光光束方向的徑向振動(dòng)信息。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)低頻振動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind turbine in low-frequency vibration

當(dāng)激光光束照射在風(fēng)力發(fā)電機(jī)表面時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使激光頻率發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)頻率的變化量獲得對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度。假設(shè)風(fēng)機(jī)振動(dòng)方向與激光視線方向的夾角為θ，出射激光的波長(zhǎng)為λ，則風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度v與多普勒頻移Δf的關(guān)系為：

(1)

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒靜止或其運(yùn)動(dòng)方向與激光光束方向垂直時(shí)，激光雷達(dá)測(cè)得的徑向振動(dòng)速度為0；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向與激光光束不垂直、有夾角時(shí)，定義遠(yuǎn)離激光雷達(dá)的徑向振動(dòng)速度為正值，朝向激光雷達(dá)的徑向振動(dòng)速度為負(fù)值。

圖3為激光雷達(dá)測(cè)振系統(tǒng)原理。系統(tǒng)的種子激光器發(fā)射的線偏振光經(jīng)由分束器分為出射光和本振光，假設(shè)中心頻率均為f。聲光調(diào)制器(Acousto-Optic Modulator,AOM)將出射激光經(jīng)調(diào)制為中心頻率為f+fL的脈沖光，再經(jīng)由光纖放大器、光開(kāi)關(guān)和光學(xué)天線望遠(yuǎn)鏡，最終照射在風(fēng)力發(fā)電機(jī)表面。假設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)造成的多普勒頻移為fD(激光視線方向)，則激光雷達(dá)接收到的信號(hào)光頻率變?yōu)閒+fL+fD。信號(hào)光與本振光通過(guò)光纖耦合器后形成拍頻信號(hào)，經(jīng)由光電平衡探測(cè)器后變?yōu)橹行念l率為fD+fL的模擬信號(hào)。ADC(Analog-to-Digital Converter,模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，此時(shí)的數(shù)字信號(hào)為時(shí)域信號(hào)。

圖3 激光雷達(dá)測(cè)振系統(tǒng)原理Fig.3 Schematic diagram of lidar system for vibration measurement

3 測(cè)振頻譜數(shù)據(jù)處理

3.1 處理方法概述

在進(jìn)行風(fēng)機(jī)振動(dòng)的遙測(cè)試驗(yàn)時(shí)，為了獲得不同距離對(duì)應(yīng)的多普勒頻移量，需要將時(shí)域信號(hào)按照距離劃分距離門(或稱距離庫(kù))，每個(gè)距離門內(nèi)的時(shí)域信號(hào)單獨(dú)進(jìn)行FFT獲得頻域信號(hào)，檢測(cè)出不同距離門的多普勒頻移量。

在時(shí)域信號(hào)處理過(guò)程中，以15 m為一個(gè)距離門對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行1 024個(gè)點(diǎn)的FFT得到頻域信號(hào)，對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)距離分辨率即為15 m。在得到每個(gè)距離門的頻域信號(hào)后，每個(gè)距離門取100個(gè)采樣點(diǎn)，得到重組后的頻譜數(shù)據(jù)(離散的頻率譜數(shù)據(jù))。

由于FFT產(chǎn)生的柵欄效應(yīng)會(huì)造成PC端接收到的頻譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的誤差[24]，因此需要對(duì)測(cè)振頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文介紹了一種以離散頻譜校正技術(shù)為核心的測(cè)振頻譜數(shù)據(jù)處理方法，其步驟為：頻譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、風(fēng)機(jī)位置搜尋、離散頻譜校正和振動(dòng)信息提取。

3.2 頻譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

激光雷達(dá)系統(tǒng)的出射激光經(jīng)由光纖端面以及光學(xué)天線鏡面時(shí)，介質(zhì)變化會(huì)導(dǎo)致菲涅爾反射，其反射信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于大氣后向散射或風(fēng)機(jī)的反射信號(hào)強(qiáng)度。實(shí)際測(cè)量中，菲涅爾反射會(huì)影響約前6～8個(gè)距離門的譜數(shù)據(jù)。若風(fēng)力發(fā)電機(jī)距離激光雷達(dá)較遠(yuǎn)，可采用直接剔除前6～8個(gè)距離門數(shù)據(jù)的方式來(lái)消除菲涅爾反射的影響。

消除菲涅爾反射的影響后，需要進(jìn)行本底噪聲的抑制與扣除。由于激光雷達(dá)遠(yuǎn)端的大氣后向散射信號(hào)強(qiáng)度極低，通常選取遠(yuǎn)端數(shù)個(gè)距離門信號(hào)求平均，以平均值作為本底噪聲，然后對(duì)其他數(shù)據(jù)相應(yīng)扣除本底噪聲。

3.3 風(fēng)機(jī)位置搜尋

試驗(yàn)中，在相同的距離下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為一種硬靶目標(biāo)，其反射率遠(yuǎn)大于相同距離下氣溶膠的后向散射系數(shù)。圖4為回波信號(hào)強(qiáng)度，圖中每100個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)距離門，第36～42個(gè)距離門即風(fēng)力發(fā)電機(jī)形成的譜數(shù)據(jù)信號(hào)，其強(qiáng)度陡增幾百倍甚至上千倍。

圖4 回波信號(hào)強(qiáng)度Fig.4 Intensity of echo signal

將圖4中的信號(hào)強(qiáng)度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，回波信號(hào)的變化趨勢(shì)更加明顯，圖5為對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的回波信號(hào)強(qiáng)度。前36個(gè)距離門的回波信號(hào)強(qiáng)度隨著探測(cè)距離的增加逐漸衰減，從第36個(gè)距離門開(kāi)始，信號(hào)強(qiáng)度陡增2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，選取信號(hào)強(qiáng)度最大的距離門作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)位置。試驗(yàn)中受風(fēng)力發(fā)電機(jī)影響的距離門總數(shù)通常為6～9個(gè)，風(fēng)機(jī)前后幾個(gè)距離門信號(hào)強(qiáng)度的增大與激光的拖尾現(xiàn)象有關(guān)[25]。

圖5 對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的回波信號(hào)強(qiáng)度Fig.5 Intensity of echo signal in logarithmic coordinates

3.4 離散頻譜校正

經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation,FFT)產(chǎn)生的頻域信號(hào)由于柵欄效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，無(wú)法滿足探測(cè)精度要求，故需要進(jìn)行譜峰位值的校正。圖6為風(fēng)機(jī)所在距離門的頻譜數(shù)據(jù)，其頂部出現(xiàn)折線，而真實(shí)回波信號(hào)應(yīng)當(dāng)為光滑的曲線，表明頻譜數(shù)據(jù)出現(xiàn)的偏差需進(jìn)一步校正。

圖6 風(fēng)機(jī)所在距離門的頻譜數(shù)據(jù)Fig.6 Spectrum data of distance gate where located wind turbine

目前，常見(jiàn)的離散頻譜校正方法有最大似然估計(jì)法[26]、插值法[27]、比值法[28]、能量重心法[29]、FFT+DFT傅里葉變換法[30]和三角形法[31]等。本文在綜合考量這些算法的優(yōu)缺點(diǎn)后，采用三角形法。這種方法具有穩(wěn)健、運(yùn)算量小、抗噪聲能力強(qiáng)的特性，適合激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理[32-33]。圖7為三角形法原理圖。實(shí)線1，2，3為回波信號(hào)的譜線，假設(shè)虛線4為真實(shí)回波信號(hào)譜峰所在譜線，將譜線3以虛線4為對(duì)稱軸進(jìn)行平移獲得頂點(diǎn)為B的虛線，在三角形ACD中利用等比原理求得BE的長(zhǎng)度，假設(shè)BE長(zhǎng)度為1-d，則校正量即為d。

圖7 三角形法原理Fig.7 Principle diagram of triangle method

3.5 振動(dòng)信息提取

校正后的譜峰頻率與出射光的頻率相減，即可得到目標(biāo)物體在激光光束方向的徑向振動(dòng)速度。徑向振動(dòng)速度v的計(jì)算公式為：

(2)

式中:X為校正后的譜峰頻率，Xmax為出射激光的頻率，fN表示激光雷達(dá)的采樣頻率，N表示進(jìn)行FFT變換的點(diǎn)數(shù)，λ為出射激光的波長(zhǎng)。徑向振動(dòng)速度v以遠(yuǎn)離激光雷達(dá)的方向作為正值，朝向激光雷達(dá)的方向?yàn)樨?fù)值。以振動(dòng)速度的數(shù)值從正到負(fù)，再?gòu)呢?fù)到正的一個(gè)變化過(guò)程作為一個(gè)振動(dòng)周期，記作周期T。根據(jù)振動(dòng)周期可以求得振動(dòng)頻率f=1/T。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)試驗(yàn)

為了評(píng)估多普勒激光雷達(dá)探測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)的能力，試驗(yàn)選取真實(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為探測(cè)目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高度約為80 m，風(fēng)輪直徑約為151 m。

試驗(yàn)采用了一種依靠多普勒激光雷達(dá)和手持激光測(cè)距儀的遙測(cè)方法，具體步驟如下：

(1)首先進(jìn)行安裝位置的選址。安裝位置應(yīng)位于平整的地面，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)位于激光雷達(dá)的有效探測(cè)距離以內(nèi)，同時(shí)需要綜合考慮激光雷達(dá)的伺服掃描精度、風(fēng)力發(fā)電機(jī)高度等因素，安裝位置過(guò)遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致激光光束無(wú)法照射在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，安裝位置過(guò)近則會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)速度的徑向分量過(guò)??；

(2)調(diào)節(jié)激光雷達(dá)機(jī)體的方向，使激光雷達(dá)基準(zhǔn)方向的朝向?yàn)檎狈较?，調(diào)節(jié)激光雷達(dá)支撐腳的高度，確保激光雷達(dá)的機(jī)箱處于水平狀態(tài)。使用手持式激光測(cè)距儀對(duì)照射點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)距；

(3)以激光雷達(dá)為基準(zhǔn)，適當(dāng)估算風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方位角范圍和俯仰角范圍；

(4)激光雷達(dá)根據(jù)估算的俯仰角范圍，依次對(duì)每一個(gè)俯仰角角度進(jìn)行橫向扇面掃描，每一個(gè)扇面的俯仰角固定不變，根據(jù)雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的方位角范圍；

(5)激光雷達(dá)進(jìn)行縱向切面掃描。激光雷達(dá)在準(zhǔn)確的方位角范圍內(nèi)，依次對(duì)每一個(gè)方位角角度進(jìn)行縱向切面掃描，每一個(gè)切面的方位角固定不變，俯仰角在估算的俯仰角范圍內(nèi)。根據(jù)雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)高度對(duì)應(yīng)的俯仰角范圍；

(6)在確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確方位角與俯仰角后，選取照射點(diǎn)進(jìn)行一次定向照射，根據(jù)回波信號(hào)的信噪比計(jì)算激光雷達(dá)與照射點(diǎn)的距離，并與手持式激光測(cè)距儀的測(cè)距結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。隨后，激光雷達(dá)以Point to Point模式(定點(diǎn)模式)對(duì)照射點(diǎn)進(jìn)行定向掃描，記錄掃描數(shù)據(jù)，采用測(cè)振頻譜數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行后期處理。

圖8為遙測(cè)流程。激光雷達(dá)依靠信噪比計(jì)算照射點(diǎn)距離的原理為：當(dāng)激光雷達(dá)照射在硬靶目標(biāo)上時(shí)，回波信號(hào)的信噪比會(huì)遠(yuǎn)大于照射在大氣分子或氣溶膠上，硬靶目標(biāo)指的是類似于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的固體目標(biāo)。

圖8 遙測(cè)流程Fig.8 Flow chart of telemetry method

試驗(yàn)共進(jìn)行7次測(cè)量，結(jié)果如表2所示，其中徑向振動(dòng)速度均值為取絕對(duì)值后的均值。試驗(yàn)中使用的多普勒激光雷達(dá)具有探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)的能力，在探測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)記錄下激光光束方向的風(fēng)速信息。選取距離風(fēng)力發(fā)電機(jī)上風(fēng)向150 m處的風(fēng)速作為風(fēng)機(jī)入流或環(huán)境風(fēng)速參考。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總

試驗(yàn)測(cè)得風(fēng)機(jī)振動(dòng)速度在0.1～3 m/s以內(nèi)，除試驗(yàn)6中的振動(dòng)頻率出現(xiàn)較大的浮動(dòng)，其余6次試驗(yàn)的振動(dòng)頻率大致穩(wěn)定在0.25～0.5 Hz以內(nèi)，這與參考文獻(xiàn)中傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)相符[34-35]。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)速度會(huì)相應(yīng)的增加，平均風(fēng)速與平均振動(dòng)速度存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖9為部分試驗(yàn)的徑向振動(dòng)速度。圖9(a)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)徑向振動(dòng)速度相對(duì)穩(wěn)定，數(shù)值多在0.04 m/s以下。圖9(b)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的徑向振動(dòng)速度的變化幅度較大，這與風(fēng)力發(fā)電機(jī)在瞬間強(qiáng)風(fēng)影響下產(chǎn)生的瞬態(tài)響應(yīng)有關(guān)。這種瞬態(tài)響應(yīng)的表現(xiàn)形式為初期振動(dòng)速度迅速增大，在阻尼的消耗作用下，振動(dòng)逐漸衰減，最終達(dá)到阻尼與外界風(fēng)載荷平衡的狀態(tài)[36]。

圖9 徑向振動(dòng)速度Fig.9 Radial vibration velocity on laser line of sight

圖10為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的徑向振動(dòng)頻率，該時(shí)段的風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻率較為穩(wěn)定，在0.5 Hz上下浮動(dòng)。

圖10 徑向振動(dòng)頻率Fig.10 Radial vibration frequency

風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒頂部的振動(dòng)則類似于復(fù)擺的過(guò)程[37]。這種復(fù)擺指的是塔筒繞底座做微小擺動(dòng)的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)體系，其運(yùn)動(dòng)路線并非直線，而是一種不規(guī)則的圖形[38-39]。在持續(xù)風(fēng)載荷的影響下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)路線復(fù)雜且多變。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)試驗(yàn)獲取了風(fēng)力發(fā)電機(jī)在激光光束方向的徑向振動(dòng)信息。在激光光束照射點(diǎn)所在的水平面內(nèi)，風(fēng)機(jī)塔筒可能會(huì)進(jìn)行沿著激光光束徑向運(yùn)動(dòng)和垂直激光光束的切向運(yùn)動(dòng)。由于只采用了一臺(tái)激光雷達(dá)，暫時(shí)無(wú)法獲得風(fēng)機(jī)塔筒的二維振動(dòng)信息。獲取二維振動(dòng)信息至少需要兩臺(tái)激光雷達(dá)進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)。

4.2 固定目標(biāo)實(shí)測(cè)試驗(yàn)

激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的誤差主要來(lái)自噪聲和算法誤差。此外，還包括固定目標(biāo)極輕微的自振等因素。

噪聲主要包括本振散粒噪聲、探測(cè)器噪聲和相對(duì)強(qiáng)度噪聲，以及實(shí)際探測(cè)中產(chǎn)生的本底噪聲。采用AOM移頻的方法可有效地避開(kāi)相對(duì)強(qiáng)度噪聲的影響，本底噪聲可通過(guò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行抑制，因此影響探測(cè)結(jié)果的主要噪聲為本振散粒噪聲與探測(cè)器噪聲。根據(jù)激光雷達(dá)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行的MATLAB仿真分析表明：本振散粒噪聲的強(qiáng)度約為-132.51 dB,探測(cè)器噪聲的強(qiáng)度約為-216.72 dB[22]。

算法誤差的主要來(lái)源是離散頻譜校正算法，本文使用三角形法進(jìn)行離散頻譜校正。三角形法具有一定的校正精度，在校正過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)誤差，該誤差也是導(dǎo)致最終探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差的主要原因之一。

在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)試驗(yàn)后，并不能確定誤差對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響程度，因此進(jìn)行固定目標(biāo)試驗(yàn)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)容易受到風(fēng)載荷的持續(xù)影響，不能作為固定目標(biāo)，因此選取樓體建筑物作為固定目標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)資料，高度小于30 m且高寬比小于1.5的低矮建筑物，可不考慮風(fēng)振[40-41]。試驗(yàn)選取的建筑物離地高度為21 m，高寬比小于1，可忽略風(fēng)振對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。

在距離目標(biāo)約600 m處，使用激光雷達(dá)對(duì)建筑物頂部進(jìn)行定向掃描并記錄掃描數(shù)據(jù)，采用與風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)試驗(yàn)相同的數(shù)據(jù)方式進(jìn)行后期處理。

圖11為目標(biāo)建筑物探測(cè)結(jié)果，徑向振動(dòng)速度誤差約為-0.062～0.059 m/s，誤差取絕對(duì)值后的均值為0.013 m/s，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.018 m/s，絕大部分的數(shù)值在0.03 m/s以下，這與MATLAB的仿真結(jié)果基本相符。

圖11 目標(biāo)建筑物探測(cè)結(jié)果Fig.11 Results for target building detection

在忽略風(fēng)振影響的前提下，可將固定目標(biāo)實(shí)測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果作為實(shí)際探測(cè)中誤差水平的參考依據(jù)。MATLAB仿真結(jié)果如圖12所示，時(shí)長(zhǎng)100 s。如圖12(a)所示，無(wú)噪聲情況下，算法導(dǎo)致的徑向振動(dòng)速度誤差約為-0.037～0.039 m/s，誤差值取絕對(duì)值后的均值為0.010 m/s，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.013 m/s。如圖12(b)所示，在根據(jù)激光雷達(dá)實(shí)際參數(shù)添加噪聲后，徑向振動(dòng)速度誤差約為-0.049～0.047 m/s，誤差值取絕對(duì)值后的均值為0.011 m/s，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.014 m/s。

圖12 MATLAB仿真結(jié)果Fig.12 MATLAB simulation results

MATLAB仿真結(jié)果表明：在忽略風(fēng)振和固定目標(biāo)輕微自振等因素的前提下，算法誤差是造成探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差的最主要因素，約占69%～83%，噪聲約占17%～31%。

固定目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)和MATLAB仿真的結(jié)果表明：誤差造成振動(dòng)速度大部分在0.03 m/s以下，風(fēng)力為2～3級(jí)時(shí)，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)速度在0.2 m/s以上，誤差只會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果造成輕微的影響；風(fēng)力大于3級(jí)時(shí)，可以忽略誤差造成的影響。

5 結(jié) 論

本文提出了一種利用多普勒激光雷達(dá)探測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)的方法，并提供了一種基于頻譜校正技術(shù)的測(cè)振數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及固定目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：多普勒激光雷達(dá)對(duì)頻率為0～2.5 Hz、速度為0.1～3 m/s的風(fēng)力發(fā)電機(jī)低頻振動(dòng)探測(cè)效果明顯，具備一定的探測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低頻振動(dòng)的能力；多普勒激光雷達(dá)探測(cè)振動(dòng)速度的誤差約為0.03 m/s，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)速度遠(yuǎn)大于誤差值，結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。根據(jù)風(fēng)電行業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)保密性的要求，風(fēng)機(jī)的真實(shí)振動(dòng)狀態(tài)參數(shù)暫時(shí)無(wú)法獲取。因此，需要進(jìn)行激光雷達(dá)與振動(dòng)傳感器的同步觀測(cè)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的合理性。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展和完善，激光雷達(dá)會(huì)在風(fēng)電領(lǐng)域發(fā)揮出更大的應(yīng)用價(jià)值。