CN115234447B - 一种基于海上净空雷达的叶片检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于海上净空雷达的叶片检测方法及系统，该检测方法包括以下步骤：S1、获取风机激光净空雷达原始的Stop信号；S2、将获取的Stop信号转化为目标的时间序列的测距值；S3、判断当前海面的能见度；S4、获取疑似叶片信号的测距值；S5、获取真实的叶片信号与海面信号的测距值。本发明提高了激光净空雷达叶片检测的准确率，基于激光净空雷达测距数据和叶轮转速数据，结合稳定有效的叶片检测算法，可以在一定程度上降低云、雨、雾环境对激光净空雷达叶片检测的干扰，降低了叶片检测的虚警率，提升了激光净空雷达测距数据的可靠性，为风机主控的预警保护机制提供了稳定有效的数据源。

Description

一种基于海上净空雷达的叶片检测方法及系统

技术领域

本发明涉及激光雷达物体识别及测量技术领域，具体来说，涉及一种基于海上净空雷达的叶片检测方法及系统。

背景技术

风力发电机组塔架净空为机组叶片的叶尖与叶尖高度处塔筒壁的最近距离。随着风机技术的发展及能效要求的提高，风机叶片越来越长、越来越柔，同时由于风机机位点地理环境复杂、风况复杂以及寒流、台风等复杂气象条件等因素，风机桨叶存在扫塔风险，发生扫塔后轻则更换叶片、重则导致整个机组报废，将带来巨大的经济财产损失。

激光净空雷达为一种实时监测叶尖净空距离的激光测距雷达，当监测到叶片净空值接近规定的最小净空值时，风机机组主控可立即采取保护性措施，如减速、收桨等。净空雷达在存量机组上应用可起到预防扫塔、解除危险机组功率限制进而提高发电量的作用，在未来机组上应用可起到降低叶片成本、降低机组设计压力的作用。激光净空雷达叶片测距信号容易受到窗口尘土、雨水、雾气等的干扰，测距值出现虚警，表现为低净空；同时，净空雷达在海上监测容易受到海面反射的影响，容易出现海面测距值的消失，出现较多的无效值，为风机主控的保护机制带来一定的挑战。

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于激光净空雷达的叶片检测方法，以解决激光净空雷达在海上使用过程中出现叶片信号虚警率高、海面测距值消失的问题。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于海上净空雷达的叶片检测方法及系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种基于海上净空雷达的叶片检测方法，该检测方法包括以下步骤：

S1、获取风机激光净空雷达原始的Stop信号；

S2、将获取的Stop信号转化为目标的时间序列的测距值；

S3、判断当前海面的能见度；

S4、获取疑似叶片信号的测距值；

S5、获取真实的叶片信号与海面信号的测距值。

进一步的，所述Stop信号的数量为四个，且所述Stop信号的频率为20KHz。

进一步的，所述将获取的Stop信号转化为目标的时间序列的测距值包括以下步骤：

S21、利用顺序阈值检测法从四个Stop信号数据中筛选出频率为20KHz的海面测距值；

S22、利用逆序阈值检测法从四个Stop信号数据中筛选出频率为20KHz的叶片测距值。

进一步的，所述判断当前海面的能见度包括以下步骤：

S31、每隔预设时间利用阈值检测法对海面测距数据进行检测，判断海面的能见度；

S32、每隔预设时间利用序列填充法对海面无效测距数据进行修复，获取连续的海面信号测距值。

进一步的，所述预设时间为2s。

进一步的，所述疑似叶片信号的测距值通过对能见度高的目标信号的测距值进行叶片信号检测分析得到。

进一步的，所述获取疑似叶片信号的测距值包括以下步骤：

S41、每隔1ms对叶片进行检测，并利用直方图统计法统计时间窗口内不同大小的测距值数量及分布；

S42、计算窗口内测距值数量的分布重心，确定疑似叶片信号的测距值，聚类出1KHz的叶片信号测距值和海面信号测距值；

S43、每隔20ms检测一次，并对1KHz的叶片信号测距值和地面信号测距值进行数据转化，输出50Hz的叶片信号测距值和海面信号测距值。

进一步的，所述真实的叶片信号与海面信号的测距值通过对疑似叶片信号的测距值进行虚警抑制得到。

进一步的，所述获取真实的叶片信号与海面信号的测距值包括以下步骤：

S51、根据风机主控传入的50Hz的叶轮转速数据建立查找表，并查找不同叶片的周期和同一个叶片的周期；

S52、根据不同叶片的周期和同一个叶片的周期对叶片检测输出的50Hz的叶片信号进行虚警抑制，确定最终输出50Hz的叶片测距值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于海上净空雷达的叶片检测系统，该叶片检测系统包括原始信号获取模块、信号转换模块、能见度判断模块、疑似测距值获取模块及真实测距值获取模块；

其中，所述原始信号获取模块用于获取风机激光净空雷达原始的Stop信号；

所述信号转换模块用于将获取的Stop信号转化为目标的时间序列的测距值；

所述能见度判断模块用于判断当前海面的能见度；

所述疑似测距值获取模块用于获取疑似叶片信号的测距值；

所述真实测距值获取模块用于获取真实的叶片信号与海面信号的测距值。

本发明的有益效果为：

1)本发明增强了激光净空雷达海上环境的适应性，设计使用海面测距数据修复功能，保证激光净空雷达在海上叶片监测过程中有稳定的海面信号输出，有利于风机主控根据海面数据的有效率进行预警保护机制的判断。

2)本发明提升了激光净空雷达叶片检测的鲁棒性，利用高重频、海量检测数据的优势，可以消除瞬时出现的干扰，使用直方图统计的方法进行叶片信号识别与定位，保证了叶片信号可以被准确有效地检测到。

3)本发明提高了激光净空雷达叶片检测的准确率，基于激光净空雷达测距数据和叶轮转速数据，结合稳定有效的叶片检测算法，可以在一定程度上降低云、雨、雾环境对激光净空雷达叶片检测的干扰，降低了叶片检测的虚警率，提升了激光净空雷达测距数据的可靠性，为风机主控的预警保护机制提供了稳定有效的数据源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法的流程示意图；

图2是根据本发明实施例的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法的原理示意图；

图3是根据本发明实施例的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法中风机激光净空雷达原始的四个Stop信号数据图；

图4是根据本发明实施例的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法中风机激光净空雷达海面信号数据修复前的效果图；

图5是根据本发明实施例的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法中风机激光净空雷达海面信号数据修复后的效果图；

图6是根据本发明实施例的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法中叶片检测过程示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种基于海上净空雷达的叶片检测方法及系统。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-6所示，根据本发明的一个实施例，提供了一种基于海上净空雷达的叶片检测方法，该检测方法包括以下步骤：

S1、获取风机激光净空雷达原始的Stop信号；

具体的，激光净空雷达获取风机机组的频率为20KHz原始的四个Stop信号的原始测距数据点，如图3所示，保证风机运行期间处于激光净空雷达监测区域以获得有效的激光测距数据。

S2、将获取的Stop信号转化为目标的时间序列的测距值；

具体的，将上述四个Stop信号进行预处理，将四个Stop信号的合并为一个Stop信号的时间序列的测距值，预处理过程包括：

S21、利用顺序阈值检测法从四个Stop信号数据中筛选出频率为20KHz的海面测距值，具体如下：

基于风机塔筒高度正负10m的范围内，依次对四个Stop信号(Stop1、Stop2、Stop3、Stop4)进行海面测距值筛选，如果Stop1信号的测距值在风机塔筒高度正负10m的范围内，则输出Stop1信号的测距值；如果Stop1信号的测距值不满足在风机塔筒高度正负10m的范围内，则判断Stop2信号的测距值是否在风机塔筒高度正负10m的范围内，如果满足，则输出Stop2信号的测距值，否则，则判断Stop3信号的测距值是否在风机塔筒高度正负10m的范围内，依此类推，直到四个Stop信号海面信号测距值判断完毕；

S22、利用逆序阈值检测法从四个Stop信号数据中筛选出频率为20KHz的叶片测距值，具体如下：

在海面信号检测的基础上，逆序对四个Stop信号(Stop1、Stop2、Stop3、Stop4)进行叶片测距值筛选。设定最小的叶片测距值和最大的叶片测距值，如果Stop4不是海面测距信号而且满足叶片测距值的范围内，则输出Stop4信号的测距值；否则，则判断Stop3信号的测距值是否在叶片范围内，如果Stop3信号不是海面测距信号而且满足叶片测距值的范围内，则输出Stop3信号的测距值；否则，则判断Stop2信号的测距值是否在叶片范围内，依此类推，直到四个Stop信号叶片信号测距值判断完毕。

S3、判断当前海面的能见度；

具体的，对时间序列的测距值进行海面信号检测与修复，计算当前海面的能见度值，海面信号修复前后效果图如图4、图5所示，具体步骤包括：

S31、每隔2s利用阈值检测法对海面测距数据进行检测，判断海面的能见度，具体如下：

每隔2s的时间，统计2s的时间序列测距值在风机塔筒高度正负10m的范围内出现的个数，计算风机塔筒高度正负10m范围出现的比例，如果大于1％，则认为当前的海面能见度正常，输出能见度的值为1，否则，海面能见度异常，输出能见度的值为0；

S32、每隔2s利用序列填充法对海面无效测距数据进行修复，获取连续的海面信号测距值，具体如下：

如果当前的2s的时间内海面能见度正常，则对下个2s的无效测距值数据进行序列填充，填充原则是使用前面时刻最后有效的海面测距值进行同值填充，保证在能见度正常的情况下海面数据的完整性。否则，维持当前的海面测距值。

S4、获取疑似叶片信号的测距值；

具体的，对能见度高的目标信号的测距值进行叶片信号检测，获取疑似叶片信号的测距值，检测过程如图6所示，其包括以下步骤：

S41、每隔1ms对叶片进行检测，并利用直方图统计法统计时间窗口内不同大小的测距值数量及分布，具体如下：

每1ms检测一次叶片，设置滑动窗口数据点个数为100，基于直方图统计的方法，按照间隔为1m的统计间隔，在大于等于1m小于等于塔筒高度的测距范围内，统计滑动窗口内非海面测距点每个高度层的测距值点的数量及分布；

S42、计算窗口内测距值数量的分布重心，确定疑似叶片信号的测距值，聚类出1KHz的叶片信号测距值和海面信号测距值，具体如下：

删除最大测距值点的数量，计算除数量最高的测距值以外的测距值点数量的平均值，作为测距值点数量的检测门限，选取测距点的数量最高的测距值作为窗口内测距值的分布重心，建立半径为2m的缓冲区，如果当前窗口内最少检测的叶片点数量大于检测门限，则保存当前缓冲区的测距值的均值为疑似叶片测距值；否则判断当前窗口内最少检测的海面点数量，如果海面点数量大于检测门限，则保存当前缓冲区的测距值的均值为海面测距值；如果海面点数量小于等于检测门限，则保存当前的测距值为无效值；最后输出叶片点、海面点、无效点这三种数据类型且频率为1KHz的测距值；

S43、每隔20ms检测一次，并对1KHz的叶片信号测距值和地面信号测距值进行数据转化，输出50Hz的叶片信号测距值和海面信号测距值，具体如下：

每20ms检测一次测距值，如果当前20ms内有叶片，则输出最后一次出现的疑似叶片测距值输出为当前20ms的测距值；否则，如果当前20ms内有海面，则输出最后一次出现的海面测距值输出为当前20ms的测距值，如果没有海面测距值，则输出无效的测距值，实现将频率为1KHz的测距值转化为频率为50Hz的测距值。

S5、获取真实的叶片信号与海面信号的测距值。

具体的，对50Hz的疑似叶片信号的测距值进行虚警抑制，获取真实的叶片信号与海面信号的测距值包括以下步骤：

S51、根据风机主控传入的50Hz的叶轮转速数据建立查找表，并查找不同叶片的周期和同一个叶片的周期，具体如下：

根据风机主控传入激光净空雷达的50Hz的叶轮转速信息，建立风机叶轮转速与叶片周期之间关系的查找表，根据仿真查找表计算风机三个叶片正常运转时不同叶片的周期T以及同一个叶片的周期t；

S52、根据不同叶片的周期和同一个叶片的周期对叶片检测输出的50Hz的叶片信号进行虚警抑制，确定最终输出50Hz的叶片测距值，具体如下：

根据不同叶片的周期T以及同一个叶片的周期t，对疑似叶片点进行虚警抑制，如果当前时刻是叶片且满足与上一个时刻叶片间隔的时间差是同一个叶片周期t或者是不同叶片周期T，则输出当前的疑似叶片测距值为真实的叶片测距值；否则，判断当前时刻是否有海面，如果有海面测距值，则输出当前的海面测距值，如果没有海面测距值，则输出无效测距值。

根据本发明的另一实施例，提供了一种基于海上净空雷达的叶片检测系统，该叶片检测系统包括原始信号获取模块、信号转换模块、能见度判断模块、疑似测距值获取模块及真实测距值获取模块；

其中，所述原始信号获取模块用于获取风机激光净空雷达原始的Stop信号；

所述信号转换模块用于将获取的Stop信号转化为目标的时间序列的测距值；

所述能见度判断模块用于判断当前海面的能见度；

所述疑似测距值获取模块用于获取疑似叶片信号的测距值；

所述真实测距值获取模块用于获取真实的叶片信号与海面信号的测距值。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明增强了激光净空雷达海上环境的适应性，设计使用海面测距数据修复功能，保证激光净空雷达在海上叶片监测过程中有稳定的海面信号输出，有利于风机主控根据海面数据的有效率进行预警保护机制的判断。

此外，本发明提升了激光净空雷达叶片检测的鲁棒性，利用高重频、海量检测数据的优势，可以消除瞬时出现的干扰，使用直方图统计的方法进行叶片信号识别与定位，保证了叶片信号可以被准确有效地检测到。

同时，本发明提高了激光净空雷达叶片检测的准确率，基于激光净空雷达测距数据和叶轮转速数据，结合稳定有效的叶片检测算法，可以在一定程度上降低云、雨、雾环境对激光净空雷达叶片检测的干扰，降低了叶片检测的虚警率，提升了激光净空雷达测距数据的可靠性，为风机主控的预警保护机制提供了稳定有效的数据源。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于海上净空雷达的叶片检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：

S1、获取风机激光净空雷达原始的Stop信号；

S2、将获取的Stop信号转化为目标的时间序列的测距值；

S3、判断当前海面的能见度；

S4、获取疑似叶片信号的测距值；

S5、获取真实的叶片信号与海面信号的测距值；

其中，所述判断当前海面的能见度包括以下步骤：

S31、每隔预设时间利用阈值检测法对海面测距数据进行检测，判断海面的能见度；

S32、每隔预设时间利用序列填充法对海面无效测距数据进行修复，获取连续的海面信号测距值；

所述获取疑似叶片信号的测距值包括以下步骤：

S41、每隔1ms对叶片进行检测，并利用直方图统计法统计时间窗口内不同大小的测距值数量及分布；

S42、计算窗口内测距值数量的分布重心，确定疑似叶片信号的测距值，聚类出1KHz的叶片信号测距值和海面信号测距值；

S43、每隔20ms检测一次，并对1KHz的叶片信号测距值和地面信号测距值进行数据转化，输出50Hz的叶片信号测距值和海面信号测距值；

所述获取真实的叶片信号与海面信号的测距值包括以下步骤：

S51、根据风机主控传入的50Hz的叶轮转速数据建立查找表，并查找不同叶片的周期和同一个叶片的周期；

S52、根据不同叶片的周期和同一个叶片的周期对叶片检测输出的50Hz的叶片信号进行虚警抑制，确定最终输出50Hz的叶片测距值。

2.根据权利要求1所述的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法，其特征在于，所述Stop信号的数量为四个，且所述Stop信号的频率为20KHz。

3.根据权利要求2所述的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法，其特征在于，所述将获取的Stop信号转化为目标的时间序列的测距值包括以下步骤：

S21、利用顺序阈值检测法从四个Stop信号数据中筛选出频率为20KHz的海面测距值；

S22、利用逆序阈值检测法从四个Stop信号数据中筛选出频率为20KHz的叶片测距值。

4.根据权利要求3所述的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法，其特征在于，所述预设时间为2s。

5.根据权利要求1所述的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法，其特征在于，所述疑似叶片信号的测距值通过对能见度高的目标信号的测距值进行叶片信号检测分析得到。

6.根据权利要求1所述的一种基于海上净空雷达的叶片检测方法，其特征在于，所述真实的叶片信号与海面信号的测距值通过对疑似叶片信号的测距值进行虚警抑制得到。

7.一种基于海上净空雷达的叶片检测系统，用于实现权利要求1-6中任意一项所述基于海上净空雷达的叶片检测方法的步骤，其特征在于，该叶片检测系统包括原始信号获取模块、信号转换模块、能见度判断模块、疑似测距值获取模块及真实测距值获取模块；

其中，所述原始信号获取模块用于获取风机激光净空雷达原始的Stop信号；

所述信号转换模块用于将获取的Stop信号转化为目标的时间序列的测距值；

所述能见度判断模块用于判断当前海面的能见度；

所述疑似测距值获取模块用于获取疑似叶片信号的测距值；

所述真实测距值获取模块用于获取真实的叶片信号与海面信号的测距值。