在水平軸風力機欄目風的測量課件中介紹了幾種常用的測風傳感器，近幾年 測風激光雷達開始用于風力發(fā)電機測風，我國金風集團在6MW的風力發(fā)電機組中采用了激光雷達測風。下面介紹測風激光雷達的基本原理。

測風激光雷達是建立在多普勒效應(yīng)理論基礎(chǔ)上，下面介紹什么是多普勒效應(yīng)。

在1842年，奧地利數(shù)學家、物理學家多普勒路過鐵路旁，一列火車從他身旁馳過，他發(fā)現(xiàn)火車從遠方駛來時汽笛聲變響，音調(diào)升高，而火車駛離時汽笛聲變?nèi)酰粽{(diào)降低。視頻1演示了這個現(xiàn)象（視頻來自網(wǎng)絡(luò)）。

這個物理現(xiàn)象引起多普勒極大興趣，經(jīng)過研究得出如下結(jié)論。

聲源向觀測者運動時，聲波的波長減小（頻率升高），音調(diào)升高；當聲源離開觀測者而去時，聲波的波長增加（頻率降低），音調(diào)降低。

在圖1中，音源（橙紅色小球）靜止時，在音源前方聽到的聲音與音源后方聽到的聲音頻率相同。

圖2是音源向前方移動時，在音源前方聽到的聲音頻率比音源后方聽到的聲音頻率要高。

下面的動畫演示這一現(xiàn)象。注：動畫僅表示音源靜止與運動時前方與后方聲音頻率的不同，并不表現(xiàn)頻率變化的過程。

音調(diào)的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關(guān)。這一比值越大，改變就越顯著，這就是“多普勒效應(yīng)”，由此產(chǎn)生的頻率變化稱為多普勒頻移。

多普勒效的數(shù)學公表達式：

觀察者和發(fā)射源的頻率關(guān)系為

 F1 為觀察到的頻率；
      F 為發(fā)射源于該介質(zhì)中的原始發(fā)射頻率；
      V為波在該介質(zhì)中的行進速度；
      V0為觀察者移動速度，若接近發(fā)射源則前方運算符號為 + 號, 反之則為 - 號，觀察者靜止則為0；
      Vs為發(fā)射源移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為 - 號，反之則為 + 號。

多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波、對無線電波與光波同樣適用。

在空中含有許多氣溶膠顆粒，是指均勻分散于大氣中的固體微粒和液體微粒，例如霧、煙、霾、微塵和煙霧等。測風激光雷達向空中發(fā)射激光束，激光照射到這些氣溶膠顆粒會產(chǎn)生反射，運動顆粒的反射波會出現(xiàn)多普勒頻移，頻移值為發(fā)射波與反射波頻率之差。

在圖3中，激光雷達發(fā)射的激光波與地面垂直線的夾角為φ，激光遇到氣溶膠顆粒會會產(chǎn)生反射，激光雷達接受到反射波后進行處理。通過發(fā)射波與接受波氣溶膠顆粒時間差得到氣溶膠顆粒與雷達的距離L

氣溶膠顆粒的高度h=L·cosφ
     通過發(fā)射波與接受波的頻移Δf計算到氣溶膠顆粒相對雷達的運動速度Vs，
     氣溶膠顆粒的水平移動速度V=Vs·sinφ

氣溶膠顆粒的水平移動速度V僅是朝向激光雷達垂直線z方向的速度，并不是實際的風向與風速。要得到實際的風向風速通常使用3維激光測風雷達。

采用所謂圓錐掃描技術(shù)的3維激光測風雷達非常實用于低空風場的測量。激光測風雷達向空中發(fā)射3束或更多的激光束。

圖4是發(fā)射3個激光束的激光測風雷達，3個激光束與激光雷達垂直軸Z的夾角都為φ，3個激光束在水平面的夾角為120度，測風平面的高度h。根據(jù)前面介紹的原理，可以同時測得3 個方向相對Z軸的風速Ve，Vnnw，Vssw，把這3個風速矢量進行合成，就可得到此刻h高度上的水平風速與風向。

3個或多激光束個通常由一個激光發(fā)射接受器旋轉(zhuǎn)掃描完成。

看起來視乎很簡單，實際上非常復(fù)雜，大氣中滿是氣溶膠顆粒，反射的波非常復(fù)雜，是大量反射波的疊加，如何從海量的雜波中選出所需的波是非常復(fù)雜的技術(shù)，要使用精密的模擬與海量的數(shù)字處理技術(shù)方可解決。所以目前激光測風雷達的造價還十分昂貴，但隨著器件性能的提升，價格會逐漸降低。

由于激光雷達可測任意高度的風場，而且是實時監(jiān)控，非常方便。一些激光雷達可測十幾公里高的風場，在機場，火箭、導(dǎo)彈發(fā)射場首先得到應(yīng)用，不過要測高空某點的風況，可能要幾個激光雷達在不同位置同步測量方可準確。

目前風電場的評估也開始使用激光測風雷達，比起建測風塔還是方便許多，特別是海上漂浮式激光測風系統(tǒng)可免去建海上測風塔的困難，在歐洲已開始使用海上漂浮式激光測風系統(tǒng)，據(jù)報道國內(nèi)剛購進兩臺試用。

風力發(fā)電機組通常在機艙上部安裝機械式測風裝置，由于安裝在風輪后面，受到旋轉(zhuǎn)葉片的遮擋，葉片的尾流對風速與風向影響都較大，這些滯后與不準確的數(shù)據(jù)使風力機無法運行在最佳狀態(tài)。采用激光測風雷達可測得風輪前方數(shù)十米至數(shù)百米的風況，高度從地面到數(shù)百米均可檢測。

圖5是風力機測風雷達測風示意圖，在機艙上部安裝的激光測風雷達，雷達對風力機前方進行掃描，圖中表示上下左右的掃描激光束，淺紅色圓錐是激光束掃描測風的空間。其原理與3維激光測風雷達相同，只是方向變?yōu)樗剑嬎惴椒ㄓ兴兓选?

這些數(shù)據(jù)讓風力機提前預(yù)知來風狀況，為風力機控制作好預(yù)前準備，達到最佳運行效果，不但可以提高風力機的效率，還可風力機對突變的來風做好應(yīng)急準備，減小受損可能。激光雷達測風技術(shù)使風力發(fā)電機組的控制走向智能化。

據(jù)報道國內(nèi)已有部分風電企業(yè)在進行相關(guān)試驗，金風科技已在6MW的風力發(fā)電機組中使用了激光雷達測風技術(shù)。

圖6是網(wǎng)絡(luò)上的激光測風雷達，左圖是3維激光測風雷達，右圖是安裝在機艙上的風力機機載激光測風雷達。

圖7是網(wǎng)絡(luò)上的歐洲漂浮式激光測風系統(tǒng)照片