·1476 工程科学学报，第38卷，第10期 研究其在动力作用下的响应，完善相关结构设计理论 速发展.主要的基于激光技术的测量方法有全息干涉 因此，发展高效的现场实测手段和科学的数据分析方 测量技术、散斑法测量技术、激光三角法测量技术、激 法是关系风场安全运行的一个重要工作. 光多普勒测量技术等.其中，激光多普勒测振技术具 关于风电塔结构的现场测试已有一些报道.马人 有非接触性，对被测物体不产生影响，响应速度快，测 乐等对内蒙古某风场中三座风电机组进行环境脉动 量频带宽，分辨率高，对反射面要求不高，且不受温度 实测，并根据实测数据提出一种新的风电塔塔筒建模 影响等优点，被广泛应用于各种流体测量以及固体表 方法.黄帅等m基于实测提出某风电塔在位移、暴风 面运动速度测量☒ 荷载等方面的设计不足.Kilie和Unluturk圆设计了一 多普勒效应是波动的特有性质，当波源、观察者、 套基于无线网络的风电塔结构健康监测系统，并进行 介质或反射点发生相对运动时，观察到的波与波源产 实测验证了其可行性.大量的现场实测需要高效率的 生的波相比频率（或波长）会发生变化，即多普勒频 测量方式，然而目前风电塔振动实测通常采用接触式 移.图1(a)是以反射点发生运动为例的多普勒效应 传感器，需要人工将传感器安装于风电塔适当位置，费 示意图.当反射点发生运动时，观察点接收到的波形 时费力.一些新型非接触测试手段近来得到研究关 频率不同于波源发出的波形频率.如图1(b)所示，0 注.Chang和Ji网利用摄影测量对一风电塔进行监测， 为光源，S为观察者，T为被测运动物体（反射点），则 得出该风电塔叶片与塔身的振动特性：但该方法需要 由被测物体运动引起的多普勒频移∫。可表示为式 在测量部位安装识别标志.Pieraccini等a利用微波 (1)四.通过测得该频移量∫。即可由式(1)推知被测 雷达对风电塔进行测试，方便有效地得出其振动特性， 物体的运动速度信息. 然而其研究发现结构表面过于平整会降低该雷达信号 n=大u(e,-el (1) 的反射效果. 由于风电塔结构体量较大，人工激励困难，所以往 式中，“为被测物体的运动速度，入为所采用激光的波 往采用环境脉动作为激励源.这类测试方法通常仅针 长，e。和e,分别为光源到被测物体和被测物体到观察 对响应信号进行处理.基于输出信号的数据处理方法 者的单位向量 可分为频域法、时域法和时频域法.频域计算方法的 优点是计算量小，可用于数据的初步分析，常用的频域 观察点· 法有峰值拾取法(peak-picking,PP)、频域分解法(fre- 波源发出的波形： quency domain decomposition,FDD)等；时域计算方法 AAA 是计算精度高，但计算量大，适合用于数据的精细分 反射点 析，常用的时域方法有基于状态空间模型的特征系统 观察点收到的波形： 实现算法(eigensystem realization algorithm,ERA)、随 4AAMAA 机子空间识别(stochastic subspace identification,SSI)、 基于自回归滑动平均模型(auto-regressive and moving % average model,ARMA)等：时频域分析法可研究时变 性系统的特征，常用的时频域分析法有小波变换 (wavelet transform,WT)、希尔伯特-黄变换(Hilbert-一 Huang transform,HHT)0 为发展风电塔现场非接触测试方法，分别利用压 电式加速度计和激光多普勒测振仪(laser Doppler vi- 图1激光多普勒测振基本原理.(a)多普勒频移：(b)测振方法 brometer,LDV)对一座l.5MW风电塔开展了环境脉 Fig.1 Laser Doppler vibrometer basics:(a)Doppler frequency 动激励下的动力实测，对两种仪器的现场使用及测试 shift:(b)velocity measurement 结果进行对比，分析遥测方法的优势.利用得到的风 电塔多组实测信号，分别采用峰值拾取法和随机子空 激光多普勒技术是通过被测物体散射光的多普勒 间识别法进行分析处理，计算获得该风电塔的前三阶 效应来测振的.基于激光多普勒技术，通过不同的光 自振频率 路设计，可以实现多种不同的测量要求.常见的激光 1激光遥测的基本原理 多普勒测振仪类型有单点式激光测振仪、扫描型激光 测振仪、三维激光测振仪、多点激光测振仪、远距离激 激光器的诞生使获得纯度高、平行性好的相干光 光测振仪等.图2为一种典型的激光多普勒测振仪的 源成为可能，各种基于激光技术的测量方法也随之迅 光路示意图.由激光器产生的激光由分光镜分为两工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 研究其在动力作用下的响应，完善相关结构设计理论． 因此，发展高效的现场实测手段和科学的数据分析方 法是关系风场安全运行的一个重要工作． 关于风电塔结构的现场测试已有一些报道． 马人 乐等［6］对内蒙古某风场中三座风电机组进行环境脉动 实测，并根据实测数据提出一种新的风电塔塔筒建模 方法． 黄帅等［7］基于实测提出某风电塔在位移、暴风 荷载等方面的设计不足． Kilic 和 Unluturk［8］设计了一 套基于无线网络的风电塔结构健康监测系统，并进行 实测验证了其可行性． 大量的现场实测需要高效率的 测量方式，然而目前风电塔振动实测通常采用接触式 传感器，需要人工将传感器安装于风电塔适当位置，费 时费力． 一些新型非接触测试手段近来得到研究关 注． Chang 和 Ji［9］利用摄影测量对一风电塔进行监测， 得出该风电塔叶片与塔身的振动特性; 但该方法需要 在测量部位安装识别标志． Pieraccini 等［10］利用微波 雷达对风电塔进行测试，方便有效地得出其振动特性， 然而其研究发现结构表面过于平整会降低该雷达信号 的反射效果． 由于风电塔结构体量较大，人工激励困难，所以往 往采用环境脉动作为激励源． 这类测试方法通常仅针 对响应信号进行处理． 基于输出信号的数据处理方法 可分为频域法、时域法和时频域法． 频域计算方法的 优点是计算量小，可用于数据的初步分析，常用的频域 法有峰值拾取法( peak-picking，PP) 、频域分解法( fre￾quency domain decomposition，FDD) 等; 时域计算方法 是计算精度高，但计算量大，适合用于数据的精细分 析，常用的时域方法有基于状态空间模型的特征系统 实现算法( eigensystem realization algorithm，EＲA) 、随 机子空间识别( stochastic subspace identification，SSI) 、 基于自回归滑动平均模型( auto-regressive and moving average model，AＲMA) 等; 时频域分析法可研究时变 性系统 的 特 征，常 用 的 时 频 域 分 析 法 有 小 波 变 换 ( wavelet transform，WT) 、希尔伯特--黄变换( Hilbert-- Huang transform，HHT) 等［11］． 为发展风电塔现场非接触测试方法，分别利用压 电式加速度计和激光多普勒测振仪( laser Doppler vi￾brometer，LDV) 对一座 1. 5 MW 风电塔开展了环境脉 动激励下的动力实测，对两种仪器的现场使用及测试 结果进行对比，分析遥测方法的优势． 利用得到的风 电塔多组实测信号，分别采用峰值拾取法和随机子空 间识别法进行分析处理，计算获得该风电塔的前三阶 自振频率． 1 激光遥测的基本原理 激光器的诞生使获得纯度高、平行性好的相干光 源成为可能，各种基于激光技术的测量方法也随之迅 速发展． 主要的基于激光技术的测量方法有全息干涉 测量技术、散斑法测量技术、激光三角法测量技术、激 光多普勒测量技术等． 其中，激光多普勒测振技术具 有非接触性，对被测物体不产生影响，响应速度快，测 量频带宽，分辨率高，对反射面要求不高，且不受温度 影响等优点，被广泛应用于各种流体测量以及固体表 面运动速度测量［12］． 多普勒效应是波动的特有性质，当波源、观察者、 介质或反射点发生相对运动时，观察到的波与波源产 生的波相比频率( 或波长) 会发生变化，即多普勒频 移． 图 1( a) 是以反射点发生运动为例的多普勒效应 示意图． 当反射点发生运动时，观察点接收到的波形 频率不同于波源发出的波形频率． 如图 1( b) 所示，O 为光源，S 为观察者，T 为被测运动物体( 反射点) ，则 由被测物体运动引起的多普勒频移 fD 可表示为式 ( 1) ［13］． 通过测得该频移量 fD 即可由式( 1) 推知被测 物体的运动速度信息． fD = 1 λ | u( es － eo ) | ． ( 1) 式中，u 为被测物体的运动速度，λ 为所采用激光的波 长，eo 和 es 分别为光源到被测物体和被测物体到观察 者的单位向量． 图 1 激光多普勒测振基本原理． ( a) 多普勒频移; ( b) 测振方法 Fig． 1 Laser Doppler vibrometer basics: ( a ) Doppler frequency shift; ( b) velocity measurement 激光多普勒技术是通过被测物体散射光的多普勒 效应来测振的． 基于激光多普勒技术，通过不同的光 路设计，可以实现多种不同的测量要求． 常见的激光 多普勒测振仪类型有单点式激光测振仪、扫描型激光 测振仪、三维激光测振仪、多点激光测振仪、远距离激 光测振仪等． 图 2 为一种典型的激光多普勒测振仪的 光路示意图． 由激光器产生的激光由分光镜分为两 · 6741 ·