一种三维扫描式测风激光雷达扫描头结露点控制装置及方法
阅读说明：本技术 一种三维扫描式测风激光雷达扫描头结露点控制装置及方法 (Device and method for controlling condensation point of scanning head of three-dimensional scanning type wind measurement laser radar ) 是由 张灵乐 罗浩 陶波 朱敏强 李智 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种三维扫描式测风激光雷达扫描头结露点控制装置,包括控制器主板、热敏电阻、湿度传感器、压力传感器；所述控制器主板,用于收集与外界测量的信号和算法处理；所述湿度传感器,用于采集湿度信号,与控制器主板电性连接及信号传送；所述压力传感器,用于采集压强信号,与控制器主板电性连接及信号传送；所述热敏电阻设置为多路电阻结构,用于测量多个温度点的温度,与控制器主板电性连接及信号传送。同时,还提供了使用上述装置的方法,通过将风扇加TEC温控器的环境温控方式,提供冷风和热风,并利用空气循环方式对扫描头内部空气进行温控,能够有效维持了内部整体的环境温度,而不是单一部位的温度。(The invention provides a three-dimensional scanning type wind lidar scanning head condensation point control device, which comprises a controller mainboard, a thermistor, a humidity sensor and a pressure sensor, wherein the controller mainboard is connected with the thermistor; the controller mainboard is used for collecting signals measured with the outside and processing the signals by an algorithm; the humidity sensor is used for acquiring a humidity signal, and is electrically connected with the controller mainboard and used for signal transmission; the pressure sensor is used for collecting pressure signals, and is electrically connected with the controller mainboard and used for signal transmission; the thermistor is arranged in a multi-path resistor structure and used for measuring the temperatures of a plurality of temperature points, and is electrically connected with the controller mainboard and used for signal transmission. Meanwhile, a method for using the device is also provided, cold air and hot air are provided in an environment temperature control mode of adding the fan and the TEC temperature controller, and the air in the scanning head is controlled in a temperature control mode in an air circulation mode, so that the whole environment temperature in the scanning head can be effectively maintained, and the temperature of a single part is not maintained.)
技术领域
本发明属于三维扫描式测风激光雷达的技术领域，特别是涉及一种三维扫描式测风激光雷达扫描头结露点控制装置及方法。
背景技术
三维扫描式测风激光雷达根据相干多普勒测风原理，探测大气中气溶胶后向散射信号，从而获取分速信息，所以探测光的发射路径和反射光的接收路径不得存在对光路有影响的物体存在，若整个光路径存在遮挡，则会导致探测的信噪比降低，导致雷达分速数据处理失真或异常。随着三维扫描式测风激光雷达在城市气象探测、风电资源评估、局地风切边预警等领域得到越来越广泛的应用，为了减少设备维护，达到无人值守的目的，探测光路的无遮挡成为保证雷达运行的第一硬性要求。
在整个光路径中，最容易产生结露的空间就是扫描头内部。因为雷达是在室外运行，由于室外条件的不确定性，经常会出现气温骤降或者空气中水汽突然增加的情况，即使环境条件较好，也会有部分水汽进入到扫描头内部。雷达在运行过程中，内部会差生大量的热，在外界环境温度较低且扫描头进入大量水汽后，便产生结露现象。
另外，扫描头内部湿度过大，会导致扫描头内部积水以及窗口镜内部结露，从而无法将探测光束完整的发射出来，也会降低探测的性能。
目前许多装有扫描头的雷达均采用内部放置干燥剂或者控湿片，每次扫描头封盖都会放置一个烘干好的干燥剂和除湿片，并立即进行封盖，防止过多水汽进入。而且在低温条件下，扫描器工作的性能也受到影响，还需配备加热片用于扫描器内壁的加热，保证扫描器的性能。
现有常规具体的方法是：在扫描头封盖之前，将干燥剂和控湿片放置到烘干箱内部，烘干半小时后立即拿出，并将控制片粘贴到扫描头内部，并将干燥剂使用704固体胶固定在不遮挡光束的位置上。立即将扫描头封盖，并保证扫描头处于固定位置2小时左右不转动。或者在扫描头装配之前，在内壁安装加热片，用于低温条件下的加热控制。
在采用上述安装放置干燥剂和控制片的方法时，固然可以解决扫描头内部结露问题，但是该方法存在以下缺点：
1、安装扫描头时间过长且繁琐
在扫描头封盖之前，需要进行一大部分干燥剂及控制片的固定，并且期间不能有间断，否则无法保证干燥剂的除湿效果。同时固定干燥剂的固体胶固化的时间较长，延长了装配时间。
2、寿命有限需定期更换
因为扫描头的机械结构无法保证百分百的气密，所以会有水汽渗透进去，干燥剂吸收的水汽达到一定程度后，便无法继续吸收水汽，长时间依然会导致结露，从而定期更换干燥剂是必不可少的。
3、加热片贴合
因为扫描头内壁存在加工缺陷等原因，加热片会存在贴合不均匀情况，若不均匀过大，会导致加热片损坏，无法工作。
发明内容
技术方案：为了防止雷达扫描头内部结露，在三维扫描式激光雷达的扫描头内部安装结露点控制装置，通过改变内部环境的温度及湿度，来保证内部不出现结露现象。并且扫描器在低温条件下运行时，会导致性能下降，无法保证旋转的精度，本发明提供的一种三维扫描式测风激光雷达扫描头结露点控制装置，具体为
包括控制器主板、热敏电阻、湿度传感器、压力传感器；所述控制器主板，用于收集与外界测量的信号和算法处理；所述湿度传感器，用于采集湿度信号，与控制器主板电性连接及信号传送；所述压力传感器，用于采集压强信号，与控制器主板电性连接及信号传送；所述热敏电阻设置为多路电阻结构，用于测量多个温度点的温度，与控制器主板电性连接及信号传送。
作为改进，还包括除湿器、风扇、TEC温控器；所述除湿器，与控制器主板连接，用于接收信号进行内部水汽搬运处理；所述TEC温控器，安装在风扇的表面，用于与风扇进行配合提供制冷或加热处理；所述风扇，与控制器主板连接，用于接收信号后进行给风处理。
作为改进，其中控制器主板进行算法处理时，是通过采集扫描头内部的多组温度值，来获得扫描头内环境温度下的结露点湿度，再进行发出工作信号。
作为改进，算法处理时，按照的公式(1)为：
其中，公式(1)中，Td的值是通过窗口镜的温度与扫描头内壁的温度做比较，取两个温度小的值作为计算值，T的值代表环境温度，a、b为校正数值参数。
作为改进，当Td满足(0，T)时，按照公式(1)获得结露点湿度，再与当前湿度相比较，计算差值，若湿度差值小于制冷最高阈值，将发出开启风扇以及TEC温控器处于制冷状态信号；
若风扇和温控TEC开启长时间后，湿度差值依然小于制冷最高阈值，并接近制冷最低阈值的时候，将发出开启除湿器，对内部湿度进行除湿，直接降低内部湿度处理信号。
作为改进，当Td满足小于0时，不通过公式(1)进行结露点计算，若检测到Td温度小于制热最低阈值时，发出开启风扇以及TEC温控器处于制热状态的信号处理；若检测到Td温度小于制热最高阈值时，发出停止风扇以及TEC温控器处于制热状态的信号处理。
作为改进，当Td满足大于T时，不通过公式(1)进行结露点计算，此时发出风扇、TEC温控器以及除湿器均关闭状态的信号。
另外，还提供了上述三维扫描式测风激光雷达扫描头结露点控制装置的方法，具体步骤为
(1)准备工作
将整个控制装置上电，湿度传感器和压力传感器进行采集信号工作，读取包括但不限于多路温度值、湿度值、压力值信号；
(2)数据处理及发出工作信号
通过比对窗口镜的温度与扫描头内壁的温度做比较，取两个温度小的值作为Td计算值，来进行获取结露点湿度，并将其按照Td满足小于0、大于T、(0，T)三个区间的方式，进行与当前湿度值比较处理，进行对应的工作信号发出；
(3)工作结束
风扇、TEC温控器以及除湿器接收到对应的信号后，进行工作，直至收到结束信号完成工作周期。
作为改进，步骤(2)中，当Td满足(0，T)时，按照公式(1)获得结露点湿度，再与当前湿度相比较，计算差值，若湿度差值小于制冷最高阈值，将发出开启风扇以及TEC温控器处于制冷状态信号；
若风扇和温控TEC开启长时间后，湿度差值依然小于制冷最高阈值，并接近制冷最低阈值的时候，将发出开启除湿器，对内部湿度进行除湿，直接降低内部湿度处理信号。
作为改进，步骤(2)中，
当Td满足小于0时，不通过公式(1)进行结露点计算，若检测到Td温度小于制热最低阈值时，发出开启风扇以及TEC温控器处于制热状态的信号处理；若检测到Td温度小于制热最高阈值时，发出停止风扇以及TEC温控器处于制热状态的信号处理；
当Td满足大于T时，不通过公式(1)进行结露点计算，此时发出风扇、TEC温控器以及除湿器均关闭状态的信号。
有益效果：本发明提出的装置及方法，与常规的相比，具体如下的优势：
(1)结露点控制装置，安装简单、快捷，可以直接通过螺钉固定即可，无需像干燥剂一样需要长时间的粘合以及复杂的工序。
(2)加入结露点湿度算法后，针对不同温度下的控制逻辑，通过计算结露点湿度与当前内部湿度作对比，实现结露点的控制，能够有效的避免了除湿器过多控制的问题，提升了除湿器的寿命，同时增加了风扇加TEC温控器的环境温控方式，提供冷风和热风，并利用空气循环方式对扫描头内部空气进行温控，能够有效维持了内部整体的环境温度，而不是单一部位的温度。
附图说明
图1为本发明的激光雷达扫描头的结构示意图，左边为左视图，右边为右视图。
图2为本发明扫描头结露点控制装置的原理示意图。
图3为本发明实施例1中结露点控制装置的方法流程图。
其中图3中：Hum_com代表结露点当前湿度值，Hum_value代表测量的湿度值。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
三维扫描式测风激光雷达，包括扫描头、两个传动机构、窗口镜、转台，见图1所示，两个传动机构为X轴运动机构、Z轴运动机构，且两个传动机构包括各自独立的扫描电机、后盖板，也就是包括Z轴扫描电机、X轴扫描电机、Z轴后盖板、X轴后盖板。其中两个轴的后盖板由固定件，例如螺丝固定，周边带有密封胶条用于扫描头的防水。探测光通过扫描头内部的镜面反射，实现雷达不同角度的风速探测，结露点控制装置安装在转台内部，因为转台的空间足够大，不会对探测光路产生遮挡。
三维扫描式测风激光雷达扫描头结露点控制装置，包括控制器主板、热敏电阻、湿度传感器、压力传感器；所述控制器主板，用于收集与外界测量的信号和算法处理；所述湿度传感器，用于采集湿度信号，与控制器主板电性连接及信号传送；所述压力传感器，用于采集压强信号，与控制器主板电性连接及信号传送；所述热敏电阻设置为多路电阻结构，用于测量多个温度点的温度，与控制器主板电性连接及信号传送。
还包括除湿器、风扇、TEC温控器；所述除湿器，与控制器主板连接，用于接收信号进行内部水汽搬运处理；所述TEC温控器，安装在风扇的表面，用于与风扇进行配合提供制冷或加热处理；所述风扇，与控制器主板连接，用于接收信号后进行给风处理。
其中控制器主板进行算法处理时，是通过采集扫描头内部的多组温度值，来获得扫描头内环境温度下的结露点湿度，再进行发出工作信号。
算法处理时，按照的公式(1)为：
其中，公式(1)中，Td的值是通过窗口镜的温度与扫描头内壁的温度做比较，取两个温度小的值作为计算值，T的值代表环境温度，a、b为校正数值参数。
当Td满足(0，T)时，按照公式(1)获得结露点湿度，再与当前湿度相比较，计算差值，若湿度差值小于制冷最高阈值，将发出开启风扇以及TEC温控器处于制冷状态信号；
若风扇和温控TEC开启长时间后，湿度差值依然小于制冷最高阈值，并接近制冷最低阈值的时候，将发出开启除湿器，对内部湿度进行除湿，直接降低内部湿度处理信号。
当Td满足小于0时，不通过公式(1)进行结露点计算，若检测到Td温度小于制热最低阈值时，发出开启风扇以及TEC温控器处于制热状态的信号处理；若检测到Td温度小于制热最高阈值时，发出停止风扇以及TEC温控器处于制热状态的信号处理。
当Td满足大于T时，不通过公式(1)进行结露点计算，此时发出风扇、TEC温控器以及除湿器均关闭状态的信号。
三维扫描式测风激光雷达扫描头结露点控制装置的方法，具体步骤为
(1)准备工作
将整个控制装置上电，湿度传感器和压力传感器进行采集信号工作，读取包括但不限于多路温度值、湿度值、压力值信号；
(2)数据处理及发出工作信号
通过比对窗口镜的温度与扫描头内壁的温度做比较，取两个温度小的值作为Td计算值，来进行获取结露点湿度，并将其按照Td满足小于0、大于T、(0，T)三个区间的方式，进行与当前湿度值比较处理，进行对应的工作信号发出；
(3)工作结束
风扇、TEC温控器以及除湿器接收到对应的信号后，进行工作，直至收到结束信号完成工作周期。
其特征在于：步骤(2)中，当Td满足(0，T)时，按照公式(1)获得结露点湿度，再与当前湿度相比较，计算差值，若湿度差值小于制冷最高阈值，将发出开启风扇以及TEC温控器处于制冷状态信号；
若风扇和温控TEC开启长时间后，湿度差值依然小于制冷最高阈值，并接近制冷最低阈值的时候，将发出开启除湿器，对内部湿度进行除湿，直接降低内部湿度处理信号。
步骤(2)中，
当Td满足小于0时，不通过公式(1)进行结露点计算，若检测到Td温度小于制热最低阈值时，发出开启风扇以及TEC温控器处于制热状态的信号处理；若检测到Td温度小于制热最高阈值时，发出停止风扇以及TEC温控器处于制热状态的信号处理；
当Td满足大于T时，不通过公式(1)进行结露点计算，此时发出风扇、TEC温控器以及除湿器均关闭状态的信号。
实施例1
作为本发明的具体实施方式，将湿度传感器、压力传感器选择为BMP388和HDC1080，可选择地安装在控制器主板上，用于测量湿度和压强。
控制器主板，是用于外设的控制，信号的采集以及算法处理，根据外界传感器的信息，通过算法处理后，得到最优的控制方式。其中外设的控制包括对除湿器、风扇、TEC温控器的控制。
除湿器用于内部水汽搬运工作，TEC温控器可选择地贴合在风扇的散热片上面，从而提供冷风和热风用于制冷和加热。
热敏电阻在该实施例中选择为三路热敏电阻，用来测量各温度点的温度，温度点分别处于窗口镜周围、扫描头内壁以及扫描头内非光路空间。温度的采集为结露点的控制提供了有效的支撑。
作为本发明的另一具体实施方式，将公式1中，a的值设为17.27，b的值设为237.7，制冷最高阈值设置为8～10％，制冷最低阈值设置为3～5％，制热最高阈值设置为-5℃，制热最低阈值-10℃，此时针对三个不同温度区间时，发出的控制信号如下：
1、Td＜0
该区间内，不通过结露点的公式进行结露点计算。当前状态下，当检测到Td温度小于-10℃时，开启风扇以及温控TEC处于制热状态。因为扫描头在低温条件下稳定性会降低，所以通过热风的加热，将内部的温度升高，提高了扫描头工作的稳定性，当温度达到-5℃是，停止制热，关闭风扇及温控TEC。
2、0＜Td＜T
该区间内，通过结露点的公式计算出结露点湿度后，计算当前湿度与结露点湿度的差值，若湿度差值小于10％，立即开启风扇以及温控TEC处于制冷状态，立即将环境温度降低，减小Td与T的差值，提高结露点值。
若风扇和温控TEC开启长时间后，湿度差值依然小于10％，并接近5％的时候，开启除湿器，对内部湿度进行除湿，直接降低内部湿度。
因为除湿器存在一定的寿命，不可长时间的工作，该控制方式有效的降低了除湿器使用的时间，保证了除湿器的使用寿命。
3、Td>T
该区间内，扫描头内部不会形成结露现象，风扇、温控TEC以及除湿器均处于关闭状态。
该装置，降低了扫描头装配的难度，同时也缩短了安装的时间。通过内部的空气循环，有效的实现了内部环境温度的制冷和制热，使得整个扫描头内部的温度都较为均衡，保证了扫描头运行的性能。
通过各种传感器的监测，结合结露的原理及结露的湿度阈值，对应不同的控制要求，保证扫描头内部不结露。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。