使用泄漏馈线的波束形成布置在风力涡轮机现场处检测移动对象的特性的制作方法

1.本发明涉及风力涡轮机。更具体地，本发明涉及一种用于在风力涡轮机现场处检测目标对象的特性的装置。本发明进一步涉及一种包括这样的装置的风力涡轮机，以及一种在风力涡轮机现场处检测目标对象的特性的方法。


背景技术：

2.在上面定义的技术领域中，系统是已知的，其包括多个雷达单元，所述雷达单元可操作地被配置为发射和接收雷达信号。雷达单元典型地安装在风力涡轮机塔架上和风力涡轮机塔架周围，雷达单元被定位成使得测量从涡轮机叶片发射的雷达信号的反射。处理单元被配置为从雷达单元接收测量数据，并且通过分析接收的雷达信号由于叶片朝向或远离涡轮机塔架的移动而导致的相对于所传输的信号的多普勒频移、飞行时间、相位和幅度，来确定叶片在朝向或远离涡轮机塔架的方向上的速度。这准许计算轨迹，并且特别是叶片的绝对速度和定位。
3.例如，在欧洲专利2864632中描述了使用雷达单元基于多普勒效应测量叶片定位，并且准许避免在风力涡轮机的叶片或机舱上安装其他类型的传感器。这降低了风力涡轮机的制造和维护成本，因为定位在塔架上的传感器在现场更容易更换。
4.然而，考虑到对于旋转的对象，如转子叶片或机舱，需要安装多个雷达单元，因此这样的解决方案还不是最佳的。
5.实际上可以使用单个雷达单元，但是仅用于在单个位置处检测叶片的通过。至少需要两个（水平安装的）雷达单元来用于跟踪叶片在机舱周围偏航的定位。一个雷达单元能够检测特定定位处的叶片的绕转。可以使用多于两个的单个雷达单元来提高检测的冗余度、分辨率和置信度。然而，这进一步增加了成本和对软件资源的需求。每个雷达单元都需要用于分析信号以及导出叶片的定位和速度的专用处理单元。
6.已经尝试使用例如围绕风力涡轮机塔架布置的泄泄漏馈线，但是至少存在如下缺点，即来自泄漏馈线的辐射模式既不是很好地定义的，也不是可控的。因此，合理的信噪比需要使用非常强的信号，并且因此需要大量的功率和能量。更进一步地，不可能为了例如优化和/或变化发射的信号的方向而改变辐射模式。
7.因此，可能需要一种以灵活的方式有效地检测目标对象（诸如风力涡轮机的旋转转子叶片）的特性的改进方式。


技术实现要素：

8.根据独立权利要求的主题可以满足这一需求。从属权利要求中阐述了本发明的有利实施例。
9.根据本发明的第一方面，提供了一种用于在风力涡轮机现场处检测目标对象的一个或多个特性的装置。该装置包括（a）泄漏馈线布置，包括多个平行的泄漏馈线，（b）发射
器，耦合到泄漏馈线布置并被配置为向泄漏馈线布置中的泄漏馈线组提供单独的第一雷达信号，所述单独的第一雷达信号被配置为在相对于泄漏馈线布置的预定方向上形成第一雷达信号波束，（c）接收器，耦合到泄漏馈线布置并被配置为从泄漏馈线布置接收第二雷达信号，其中当第一雷达信号波束击中目标对象时，从目标对象反射第二雷达信号，以及（d）处理单元，被配置为分析对应于第一雷达信号的第一信号和对应于第二雷达信号的第二信号，以便确定移动对象的一个或多个特性。
10.本发明的该方面基于如下思想，即泄漏馈线布置中的平行泄漏馈线以这样的方式被提供有单独的信号（第一雷达信号），使得对应的发射（泄漏）雷达信号相组合以形成预定方向上的雷达信号波束。换句话说，泄漏馈线组能够形成波束。由此，当辐射的能量集中在期望的方向上时，能量消耗可以保持较低，并且可以取决于环境和要执行的任务来选取和变更方向。
11.根据本发明的实施例，发射器被配置为通过对第一信号施加单独的相移或者通过对第一信号施加幅度调制来生成单独的第一雷达信号。
12.通过将第一信号的单独相移版本提供给组中的每个泄漏馈线，沿着该组中的平行泄漏馈线传播的信号将具有不同的相位，并因此相对于彼此被延迟，使得在预定方向上形成波束。
13.通过对第一信号施加幅度调制，可以实现类似的波束形成效果。
14.根据本发明的另一实施例，泄漏馈线组中的泄漏馈线以相邻泄漏馈线之间的预定距离排列。
15.换句话说，组中任何一对相邻泄漏馈线之间的径向距离是相同的。
16.根据本发明的另一实施例，泄漏馈线布置中的每个泄漏馈线包括在泄漏馈线的纵向方向上的对应定位处的多个泄漏区段。
17.换句话说，每个泄漏馈线包括多个泄漏区段（用于泄漏或发射相应的单独的第一雷达信号和/或用于接收反射的第二雷达信号），并且这些泄漏区段位于对应的定位处，即垂直于平行泄漏馈线的纵向方向的线将穿过每个泄漏馈线的泄漏区段。
18.根据本发明的另一实施例，泄漏馈线布置包括至少一个泄漏馈线，该泄漏馈线不是泄漏馈线组的一部分，并且被配置为接收第二雷达信号。
19.在该实施例中，第二雷达信号（即，从目标对象反射的雷达信号）由泄漏馈线布置中的泄漏馈线接收，该泄漏馈线不是发射形成第一雷达信号波束的相移第一雷达信号的组的一部分。根据本发明的另一实施例，泄漏馈线布置包括另一泄漏馈线组，其不是该泄漏馈线组的一部分，并且被配置为接收第二雷达信号。
20.在该实施例中，第二雷达信号（即，从目标对象反射的雷达信号）被另一泄漏馈线组接收，所述另一泄漏馈线组不是发送第一雷达信号的泄漏馈线组的一部分。
21.根据本发明的另一实施例，接收器被配置为对由另一泄漏馈线组中的泄漏馈线接收的第二雷达信号施加单独的相移，由此在相对于泄漏馈线布置的另一个预定方向上形成第二雷达信号波束。
22.换句话说，接收机使用另一组中的泄漏馈线来执行关于接收的（第二）雷达信号的波束形成。这是有利的，因为它允许装置配置独立的发射和接收波束，并且由此适应改变的叶片特性，诸如在可变负载条件下的弯曲和所得到的叶片反射角的改变。
23.通过确定获得接收到的信号的最大信号强度所需的接收波束方向的改变，例如可以确定转子叶片的当前弯曲状态。
24.根据本发明的另一实施例，泄漏馈线组中的至少一个泄漏馈线被配置为接收第二雷达信号。
25.在该实施例中，第二雷达信号（即，从目标对象反射的雷达信号）由泄漏馈线布置中的泄漏馈线接收，该泄漏馈线布置也是发射形成第一雷达信号波束的相移第一雷达信号的组的一部分。
26.根据本发明的另一实施例，泄漏馈线布置中的每个泄漏馈线是泄漏同轴线缆或泄漏波导。
27.同轴泄漏线缆可以特别地适用于其中第一和第二雷达信号是rf信号的实现。泄漏波导或泄漏带状线可以特别地适用于其中第一和第二雷达信号具有较高频率的实施例。
28.根据本发明的另一实施例，泄漏馈线布置被配置为例如围绕风力涡轮机塔架形成弧形或环形。
29.由此，通过将至少一个泄漏馈线布置在合适的高度（例如，对应于特定转子叶片区段（诸如尖端或中段）通过的高度），对于任何偏航角（其可以取决于风向来设置），将接收来自转子叶片的反射。
30.根据本发明的另一实施例，目标对象是风力涡轮机的移动对象或风力涡轮机外部的移动对象。
31.风力涡轮机的移动对象特别地可以是转子叶片或机舱。外部对象可以例如是鸟或波浪（在海上安装的情况下）。
32.根据本发明的另一实施例，移动对象是风力涡轮机转子叶片，并且所述一个或多个特性包括转子叶片定位、转子叶片速度、转子叶片距塔架的距离、转子叶片大小、转子叶片脏污状态以及转子叶片内部的结构改变中的一个或多个。
33.换句话说，性能跨度从与叶片的空间定位和移动相关的参数到转子叶片表面几何形状和特性（在脏污的情况下改变）的分析。
34.如可以看到的，该装置还可以用于检测其他对象，诸如鸟、蝙蝠、冰、入侵者和海浪，即用于检测海上应用中的波的高度、方向和速度。
35.根据本发明的另一实施例，发射器被配置为在操作期间使预定方向变化，以便扫描预定区域。
36.由此，例如可以分析转子叶片的表面区段。
37.根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机。风力涡轮机包括根据第一方面或任何上述实施例的装置，其中泄漏馈线布置被布置在风力涡轮机的塔架或机舱处。
38.该方面基本上基于与上面讨论的第一方面相同的思想。
39.泄漏馈线布置可以几何地配置为围绕塔的弧形。具体而言，泄漏馈线布置可以几何地配置为围绕风力涡轮机塔架的环形（或环形的部分/区段）。由此，通过将至少一个泄漏馈线布置在合适的高度（例如，对应于特定转子叶片部分（例如，尖端或中段）通过的高度），对于任何偏航角（其可以取决于风向来设置），将接收来自转子叶片的反射。
40.根据本发明的第三方面，提供了一种在风力涡轮机现场处检测目标对象的一个或多个特性的方法。该方法包括（a）提供包括多个平行泄漏馈线的泄漏馈线布置，（b）向泄漏
馈线布置中的泄漏馈线组提供单独的第一雷达信号，该单独的第一雷达信号被配置为在相对于泄漏馈线布置的预定方向上形成第一雷达信号波束，（c）从泄漏馈线布置接收第二雷达信号， 其中当第一雷达信号波束击中目标对象时，第二雷达信号从目标对象反射，以及（d）分析对应于第一雷达信号的第一信号和对应于第二雷达信号的第二信号，以便确定移动对象的一个或多个特性。
41.该方面基本上基于与上面讨论的第一方面相同的思想。
附图说明
42.本发明的上面定义的方面和其他方面从下文描述的实施例的示例中是显而易见的，并且参考实施例的示例进行解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于此；图1示出了利用本发明实施例的风力涡轮机的示意性截面；图2示出了根据本发明示例性实施例的装置的平行泄漏馈线组；图3示出了当安装在风力涡轮机塔架上时，图2中描绘的平行泄漏馈线组；图4图示了根据本发明的示例性实施例，利用图2和图3所示的泄漏馈线组的波束形成原理。
具体实施方式
43.附图中的图示是示意性的。注意，在不同的图中，相似或相同的元件被提供有相同的参考标号或仅在第一位内不同的参考标号。
44.图1示出了利用根据本发明的用于检测风力涡轮机的转子叶片4特性的装置10的风力涡轮机1的局部剖视图。
45.更具体地，风力涡轮机1包括安装在未描绘的基础上的塔架2。机舱3布置在塔架2的顶部上。在塔架2和机舱3之间，提供有偏航角调节设备（未示出），其能够使机舱围绕垂直偏航轴线z旋转。风力涡轮机1进一步包括具有一个或多个转子叶片4的风力转子5（在图1的视角中，仅两个叶片4可见）。风力转子5围绕旋转轴线y可旋转。通常，当没有不同地指定时，以下的术语轴向、径向和周向是参照旋转轴线y进行的。转子叶片4相对于旋转轴线y径向延伸。风力涡轮机1包括具有定子11和转子12的发电机6。转子12相对于定子11围绕旋转轴线y可旋转，以产生电力。发电机6和通过本发明的电力生成不是本发明的特定目的，因此将不进一步详细描述。
46.图1进一步示出了根据本发明的装置10。装置10包括安装在塔架2处的泄漏馈线布置20，以及耦合到泄漏馈线布置20的发射器30和接收器40。发射器30被配置为向泄漏馈线布置20提供第一雷达信号，而接收器40被配置为从泄漏馈线布置20接收第二雷达信号，例如当第一雷达信号击中转子叶片4时从转子叶片4反射的雷达信号。该装置进一步包括处理单元（未示出），该处理单元被配置为分析对应于第一雷达信号的第一信号和对应于第二雷达信号的第二信号，以便确定目标对象（例如，在这种情况下为转子叶片4）的一个或多个特性。
47.图2更详细地示出了泄漏馈线布置20的示例。如图所示，泄漏馈线布置包括平行的泄漏馈线21、22、23的组。第一泄漏馈线21包括泄漏区段211、212、213，第二泄漏馈线22包括
泄漏区段221、222、223，第三泄漏馈线23包括泄漏区段231、232、233。泄漏区段211、221、231在附图中定位在彼此之上，即，以如下这样的方式，垂直于泄漏馈线21、22、23的纵向或轴向方向并延伸穿过泄漏区段211、221、231中的任一个的线也将延伸穿过其他两个泄漏区段。泄漏区段212、222、232以相同的方式位于彼此之上，泄漏区段213、223、233也是如此。每对相邻泄漏馈线之间的距离，即泄漏馈线21和22之间以及泄漏馈线22和23之间的距离等于d。所有三个泄漏馈线21、22、23都耦合到发射器30，发射器30被配置为向每个泄漏馈线21、22、23提供单独的第一雷达信号。泄漏馈线21、22、23可以特别地是泄漏同轴线缆、泄漏波导或泄漏带状线。
48.图3示出了如安装在图1的风力涡轮机塔架2上的图2所描绘的平行泄漏馈线21、22、23的组。每个泄漏馈线21、22、23在转子叶片4的尖端区段经过的高度处围绕塔架圆周的至少一部分形成弧形或环形，使得泄漏馈线21、22、23可以围绕塔架2的至少一部分，优选地围绕塔架2的整个圆周发射第一雷达信号，并且由此针对检测转子叶片4的许多或所有可能的偏航角（对应于风向）。尽管图3仅示出了在塔架2一侧处的泄漏馈线21、22、23，但是优选的是，泄漏馈线21、22、23围绕塔架的整个圆周，使得对于0
°
和360
°
之间的任何给定偏航角，第一雷达信号可以朝向转子叶片发射。换句话说，泄漏馈线21、22、23将围绕塔架2的整个圆周发射第一雷达信号，使得泄漏馈线布置20的方向特性具有以特定仰角聚焦的环面或圆环的形状。
49.图4图示了根据本发明的示例性实施例，利用图2和图3所示的泄漏馈线21、22、23的组的波束形成原理。这里，提供给泄漏馈线组21、22、23中的相邻泄漏馈线的各个第一雷达信号被相移一定量。换句话说，提供给泄漏馈线21的第一雷达信号的相位比提供给泄漏馈线22的第一雷达信号的相位滞后量。类似地，提供给泄漏馈线22的第一雷达信号的相位也比提供给泄漏馈线23的第一雷达信号的相位滞后了量。如果使用多于三个的泄漏馈线，这将继续进行，使得任何一对相邻泄漏馈线信号之间的相位相差相同的量。如图4所示，这导致平面波前w在箭头p指示的方向上传播。传播方向p和方向a（垂直于泄漏馈线布置）之间的角度指示为。知道泄漏馈线21、22、23之间的距离d，可以通过将相移的值选取为如下来获得角度的期望值：其中是信号的波长。
50.通过快速改变相移，可以扫描表面（例如转子叶片或其他目标对象的表面）。
51.泄漏馈线布置20还包括至少一个泄漏馈线，用于接收由处理单元（未示出）与第一信号一起处理的反射信号，以便获得目标对象的期望特性。接收泄漏馈线可以是单独的泄漏馈线或用于传输相移信号的泄漏馈线21、22、23中的一个（或多个）。可替代地，可以提供另一泄漏馈线组来接收反射信号。在这种情况下，接收器40可以进一步被配置为将单独的相移施加于接收信号，以便也形成接收波束。
52.如图3所示，每个泄漏馈线21、22、23包括多个槽，所述槽允许对应的第一雷达信号
沿着其整个长度泄漏出泄漏馈线并朝向目标对象，例如转子叶片4。根据可能的实施例，槽可以沿着泄漏馈线21、22、23的长度规则地分布。根据本发明的其他可能实施例，泄漏馈线21、22、23是普通同轴线缆，其外部导体（网或槽/孔口）具有低的光学覆盖率，其也泄漏电磁波。
53.在可能出现严重结冰的情况下，泄漏馈线20可以被提供有加热系统（未示出）。加热可以通过在内部和外部导体之间流动的空气或者通过在泄漏馈线20的内部或外部导体中流动的电流来提供。
54.根据可能的实施例，第一雷达信号可以是电磁雷达信号或超声雷达信号。在电磁雷达信号的情况下，泄漏馈线20优选地被配置为泄漏同轴线缆。根据其他实施例，特别是在第一雷达信号100是更高频率的电磁信号的情况下，泄漏馈线20优选地被配置为泄漏波导。
55.一般来说，根据本发明的不同实施例，第一雷达信号可以是任何频率，只要它能够被发射到目标对象并被目标对象反射。
56.当第一雷达信号波束w撞击或击中转子叶片4时，反射的第二雷达信号被朝向泄漏馈线布置20传输。布置20中的一个或多个泄漏馈线的多个槽允许第二雷达信号泄漏到对应的（一个或多个）泄漏馈线中并朝向接收器40传播。
57.处理单元（未示出）可以例如通过分析对应于第一雷达信号（即发射的雷达信号波束w）的第一信号和对应于第二雷达信号（即反射的雷达信号）的第二信号来确定转子叶片4的定位和/或速度。处理单元生成第一信号并将其传输到发射器30（例如，经由光链路）。处理单元从接收器40接收第二信号（例如，经由光链路）。由此，形成闭环，该闭环允许精确确定转子叶片4的定位和/或速度。
58.处理单元分析第一信号（对应于第一雷达信号波束）和第二信号（对应于第二雷达信号）以用于确定目标对象的定位、速度、方向和大小。根据关于幅度、相位、多普勒效应和tof（飞行时间）的已知（雷达）原理，处理单元能够比较第一信号和由移动对象引起的第二信号，并因此确定该对象的速度和/或定位和/或方向和/或大小。这样的对象的定位可以是相对于旋转轴的角度，或者是相对于笛卡尔坐标系的三维定位。
59.根据本发明的其他实施例，目标对象是机舱2，用于检测机舱关于垂直偏航轴线z的定位根据本发明的其他实施例，可以在包括风力涡轮机1的区域中检测其他目标对象，例如动物或入侵者或改变的波浪（在海上应用中）。在这样的实施例中，泄漏馈线布置20和相关联的电子设备（发射器30、接收器40和处理单元）可以不位于风力涡轮机塔架2上，而是位于可能在风力涡轮机1外部的另一结构元件上，诸如支撑结构或过渡元件。
60.应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排除多个。还可以组合结合不同实施例描述的元件。还应当注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。