CN103018481A - 带温度修正的三维超声波测风仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带温度修正的三维超声波测风仪及其测量方法。所述超声波测风仪，包括多个具有超声波收发功能的超声波探头，其特征在于：其中一半的探头位于一个水平面内，另一半的探头位于另一个水平面内，且两个水平面与同一个垂直面垂直相交；一个水平面内的每一个探头，与另一个水平面内相应的探头组成一对超声波探头，相互收发，安装时每一对探头的发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面。该测风仪采用新的阵列布设方式和信号处理模式，利用温度传感器进行声速的修正，可以对三维风速进行精确测量。

Description

带温度修正的三维超声波测风仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及风速及风向测量技术领域，特别涉及一种带温度修正的三维超声波测风仪及其测量方法。

背景技术

风是普遍存在的自然现象，由于大气受气压、环流、地形、水域、温度等影响而形成。风影响着农业、水利、环保、海洋等诸多行业，也广泛地影响着我们的生活。目前，对风资源的测量是一种基础测量。

测量风速常用的设备为风速仪，包括风杯式风速仪、动压力式风速仪、热线式风速仪等。其中风杯式风速仪采用机械式原理，利用机械部件旋转来感应风速大小，并结合风向标获得风向。该方法简单可靠，但由于其测量部分具有机械活动部件，在长期暴露于室外的工作环境下容易磨损，使用范围受限，在恶劣环境下无法使用。动压力式风速仪采用皮托管等传感部件，利用伯努利原理测量风速。但由于在自然风的条件下，空气的动压力相对较小，测量小风速困难，且无法测量风向，所以多年来只能在实验室使用，难以推广。热线式风速仪，将一根细的金属丝放在流体中，当流体沿垂直方向流过金属丝时，将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据强迫对流热交换理论，可导出热线散失的热量与流体的速度之间存在的关系式。其强度比机械式好很多，但是不宜在潮湿，有粉尘的自然条件下使用。

近年来出现了利用超声波信号的多普勒效应测量风速风向的超声波测风仪。超声波测量风速风向没有活动的机械部件，适用于恶劣环境下使用，且其测量精度高，应用范围广。但是，现有的超声波测风仪大部分针对二维风速进行测量，即便有针对三维风速的测量超声波风速仪，但由于超声波探头的设置方式不合理，会对测量的精度带来影响。而且超声波测风仪对于环境温度对声速的影响也没有考虑，使得测量的结果存在误差。

发明内容

本发明提供一种带温度修正的三维超声波测风仪及其测量方法，该测风仪采用新的阵列布设方式和信号处理模式，利用温度传感器进行声速的修正，可以对三维风速进行精确测量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种三维超声波测风仪，包括多个具有超声波收发功能的超声波探头，其特征在于：其中一半的探头位于一个水平面内，另一半的探头位于另一个水平面内，且两个水平面与同一个垂直面垂直相交；一个水平面内的每一个探头，与另一个水平面内相应的探头组成一对超声波探头，相互收发，安装时每一对探头的发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面。

同时，本发明还提供了一种三维超声波测风仪的测量方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：探头1发送超声波信号，探头4接收信号，测量超声波探头1到探头4的收发时间TR14；

步骤二：探头2发送超声波信号，探头5接收信号，测量超声波探头2到探头5的收发时间TR25；

步骤三：探头3发送超声波信号，探头6接收信号，测量超声波探头3到探头6的收发时间TR36；

步骤四：探头4发送超声波信号，探头1接收信号，测量超声波探头4到探头1的收发时间TR41；

步骤五：探头5发送超声波信号，探头2接收信号，测量超声波探头5到探头2的收发时间TR52；

步骤六：探头6发送超声波信号，探头3接收信号，测量超声波探头6到探头3的收发时间TR63；

步骤七：通过温度传感器测量温度，根据温度对声速c进行修正；

步骤八：根据修正后的声速c值和TR14、TR25、TR36、TR41、TR52、TR63计算径向风速；

步骤九：对径向风速进行矢量合成，求得风的三维分量，输出测量结果。

本发明采用超声波技术进行三维风速风向的测量，无活动的机械部件，受外界环境的影响小，适合全天候工作的户外环境。本发明能保证在各种风速条件下风速风向的精确测量。此外本发明还使用温度对声速进行修正，从而提高风速风向的检测精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的超声波测风仪六个超声波探头的位置布置图；

图2是本发明实施例提供的一对超声波探头安装的剖面示意图；

图3是本发明实施例提供的超声波测风仪六个超声波探头配对收发信号的示意图；

图4是本发明实施例提供的超声波测风仪六个超声波探头配对示意图；

图5是本发明实施例提供的超声波测风仪的电路原理框图；

图6是本发明实施例提供的回波放大电路的电路框图；

图7是本发明实施例提供的一个径向方向的传播时间的测量流程图；

图8是本发明实施例提供的带温度修正的超声波测风仪的测量方法流程图；

图9是本发明实施例提供的温度测量的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明所述内容作详细说明。

本发明的三维超声波测风仪，包括多个具有超声波收发功能的超声波探头，其特征在于：其中一半的探头位于一个水平面内，另一半的探头位于另一个水平面内，且两个水平面与同一个垂直面垂直相交；一个水平面内的每一个探头，与另一个水平面内相应的探头组成一对超声波探头，相互收发，安装时每一对探头的发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面。

下面的实施例将以六个超声波探头的超声波测风仪为例进行说明，本领域技术人员根据下述实施例的记载，可以将测风仪的超声波探头扩充为其他数目，并进行适应的修改。

图1是本发明实施例提供的超声波测风仪六个超声波探头的位置布置图。超声波探头1、探头2、探头3位于一个水平面内，呈等边三角形；超声波探头4、探头5、探头6位于另一个水平面内，呈等边三角形；且两个水平面与同一个垂直面垂直相交，其中探头1、探头3、探头4、探头5位于同一个垂直面内，呈长方形，探头1、探头2、探头5、探头6位于同一个垂直面内，呈长方形，探头2、探头3、探头4、探头6位于同一个垂直面内，呈长方形。

图2是本发明实施例提供的一对超声波探头安装的剖面示意图。安装时，每一对超声波探头的发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面。

图3是本发明实施例提供的超声波测风仪六个超声波探头配对示意图。其中探头1、探头4为一对，安装时其发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面，这一对探头间信号的收发时间分别为TR14、TR41；探头2、探头5为一对，安装时其发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面，这一对探头间信号的收发时间分别为TR25、TR52；探头3、探头6为一对，安装时其发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面，这一对探头间信号的收发时间分别为TR36、TR63。

图4是本发明提供的三维风速的空间分量示意图。在空间坐标系中，定义风速的三维矢量为东向、北向、垂直向上为正。一对探头沿传播方向的路径为L，其与垂直线的夹角为θ。

图5是本发明实施例提供的超声波测风仪的电路原理框图。其中超声波模块中由六个超声波探头构成阵列，按照图1的方式进行布设。收发切换电路实现对发射信号/接收信号与换能器(图中未示出)的连接，控制信号的收/发状态。当系统工作在发射状态时，通过收发切换电路将出超声波探头与发射驱动电路相连；发射驱动电路对产生的六路发射信号分别进行驱动放大，使得信号放大到足以推动超声波探头工作；此时超声波探头发出超声波信号。当系统处于接收状态时，超声波探头接收信号；通过收发切换电路将出超声波探头与回波放大电路相连；回波放大电路对接收到的信号进行放大。温度传感器检测电路检测环境温度，实现对声速的修正，并用修正后的声速进行风速的计算。主控制器实现整个超声波测风仪的运算和控制功能。

图6是本发明实施例提供的回波放大电路的电路框图。回波放大电路包括六路前置放大电路、N选1选择电路、带通滤波器、门限比较器。其中六路前置放大电路首先对接收到的回波信号进行放大，送入N选1选择电路，然后进入带通滤波器进行处理，接着进入门限比较器，门限比较器输出送入主控制器求取检测时间值。

图7是本发明实施例提供的一个径向方向的传播时间的测量流程图。在对一次径向方向的收发时间进行测量时，首先对计数器清零；启动超声波发射装置发射信号，同时启动定时器开始定时；定时300us后，开启计数器；同时打开超声波接收装置，等待门限比较器的中断响应，再定时200us；中断响应，读取计数器的值，等待定时器满时仍未有中断响应，该次计数值记为无效；该次计数器的值存入对应数组，数组大小预设为1s内单方向测量的次数，当数组中存储的数据未满时，重复上述测量步骤；当数组中存储的数据满时，对该方向的数据进行奇异值剔除后求平均值，再由测试平均值计算该方向的测量时间TRij，输出；对数组清零后重复上述测量步骤。

图8是带温度修正的超声波测风仪的测量方法流程图，具体包括以下步骤，其中步骤一到六是单个径向方向收发时间TRij的测量过程。

步骤一：探头1发送超声波信号，探头4接收信号，测量超声波探头1到探头4的收发时间TR14；

步骤二：探头2发送超声波信号，探头5接收信号，测量超声波探头2到探头5的收发时间TR25；

步骤三：探头3发送超声波信号，探头6接收信号，测量超声波探头3到探头6的收发时间TR36；

步骤四：探头4发送超声波信号，探头1接收信号，测量超声波探头4到探头1的收发时间TR41；

步骤五：探头5发送超声波信号，探头2接收信号，测量超声波探头5到探头2的收发时间TR52；

步骤六：探头6发送超声波信号，探头3接收信号，测量超声波探头6到探头3的收发时间TR63；

步骤七：通过温度传感器测量温度，根据温度对声速c进行修正；

步骤八：根据修正后的声速c值和TR14、TR25、TR36、TR41、TR52、TR63计算径向风速；

步骤九：对径向风速进行矢量合成，求得风的三维分量，输出测量结果。

其中步骤七中所述通过温度传感器测量温度，根据温度对声速c进行修正包括：系统启动以后，开始温度的测量，等待一小段时间后读取温度信息，计算温度值t。再由温度与声速的关系式c＝331+0.6t，计算温度修正后的声速c。图9是本发明实施例提供的温度测量的流程图。

其中步骤八中所述计算径向风速的具体的过程如下，在空间的三维坐标系下，假定U为正东方向，V为正北方向，W为垂直向上方向。图3显示了每四个超声波探头在同一垂直面内，超声波传播距离为L，其与垂直线的夹角为θ。u，v，w为东、北、垂直方向的风速，c为温度修正后的声速(由步骤七获得)，则有如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}L\cos \mathrm{\θ}=(c.\cos \mathrm{\θ}-w)\mathrm{TR}36\\ L\sin \mathrm{\θ}=(c.\sin \mathrm{\θ}-u)\mathrm{TR}36\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}L\cos \mathrm{\θ}=(c.\cos \mathrm{\θ}+w)\mathrm{TR}63\\ L\sin \mathrm{\θ}=(c.\sin \mathrm{\θ}+u)\mathrm{TR}63\end{array}\right.$

通过同一径向方向的测量时间不同，可通过倒数法和时差法分别求得一组u，v，w；时差法在风速较低时引入的误差相对较小，但其计算与声速c有关；倒数法与声速c无关，在风速较大时使用，相对误差较小。

倒数法

$\left\{\begin{array}{c}w=\frac{-L\cos \mathrm{\θ}}{2}(\frac{1}{\mathrm{TR}36}-\frac{1}{\mathrm{TR}63})\\ u=\frac{-L\sin \mathrm{\θ}}{2}(\frac{1}{\mathrm{TR}36}-\frac{1}{\mathrm{TR}63})\end{array}\right.$

对这3组公式求得的u，v，w求均值，得到倒数法求得的径向测量结果u1，v1，w1。

时差法

$\left\{\begin{array}{c}w=c\·\cos \mathrm{\θ}\frac{\mathrm{TR}36-\mathrm{TR}63}{\mathrm{TR}36+\mathrm{TR}63}\\ u=-c\·\sin \mathrm{\θ}\frac{\mathrm{TR}36-\mathrm{TR}63}{\mathrm{TR}36+\mathrm{TR}63}\end{array}\right.$

对这3组公式求得的u，v，w求均值，得到时差法求得的径向测量结果u2，v2，w2。

在本发明的算法中，两种方法结合使用。假定一个风速大小的阈值η，当某一径向方向的速度大于阈值η时，选用倒数法求得的径向分量作为该方向上的测量结果，否则就选用时差法求得的值作为测量结果，从而得到最终的u，v，w值。

其中步骤九中所述矢量合成，求得风的三维分量的具体的过程如下：

w为垂直风速，u，v合成水平风速vel和风向ang。

其中

设ang0＝arctg|u/v|(当v≠0时)

If u≥0 and v＞0，ang＝ang0；

If u≥0 and v＜0，ang＝180°-ang0；

If u＜0 and v＜0，ang＝180°+ang0；

If u＜0 and v＞0，ang＝360°-ang0；

If u＞0 and v＝0，ang＝90°。

If u＜0 and v＝0，ang＝270°。

风向ang表示水平风方向与正北方向的夹角，顺时针旋转0～360°。

本发明采用超声波技术进行三维风速风向的测量，无活动的机械部件，受外界环境的影响小，适合全天候工作的户外环境。本发明采用新的空间布阵方式及信号处理算法，提高了检测精度，利用温度传感器进行声速的修正，可以对三维的风速风向进行精确的测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种三维超声波测风仪，包括多个具有超声波收发功能的超声波探头，其特征在于：其中一半的探头位于一个水平面内，另一半的探头位于另一个水平面内，且两个水平面与同一个垂直面垂直相交；一个水平面内的每一个探头，与另一个水平面内相应的探头组成一对超声波探头，相互收发，安装时每一对探头的发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面。

2.根据权利要求1所述的测风仪，其特征在于，所述的测风仪包括6个探头，按照以下方式进行布设：其中探头1、探头2、探头3位于一个水平面内，呈等边三角形；探头4、探头5、探头6位于另一个水平面内，呈等边三角形；且两个水平面与同一个垂直面垂直相交，其中探头1、探头3、探头4、探头5位于同一个垂直面内，呈长方形，探头1、探头2、探头5、探头6位于同一个垂直面内，呈长方形，探头2、探头3、探头4、探头6位于同一个垂直面内，呈长方形。

3.根据权利要求2所述的测风仪，其特征在于，其中探头1、探头4为一对，探头2、探头5为一对，探头3、探头6为一对。

4.根据权利要求2所述的测风仪，其特征在于，所述测风仪的电路模块包括：超声波模块、收发切换电路、发射驱动电路、回波放大电路、主控制器以及温度传感器检测电路；所述超声波模块中由所述6个探头构成阵列，按照权利要求2所述的方式进行布设；收发切换电路控制信号的收/发状态；发射驱动电路对产生的六路发射信号分别进行驱动放大；回波放大电路对接收到的回波信号进行放大；主控制器进行运算和控制；温度传感器检测电路检测环境温度，实现对声速的修正，所述测风仪使用修正后的声速进行风速风向的计算。

5.根据权利要求4所述的测风仪，其特征在于，所述回波放大电路中包括：六路前置放大电路、N选1选择电路、带通滤波器、门限比较器；其中六路前置放大电路首先对接收到的回波信号进行放大，送入N选1选择电路，然后进入带通滤波器进行处理，接着进入门限比较器，门限比较器输出送入主控制器求取检测时间值。

6.一种如权利要求2所述的测风仪的测量方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：探头1发送超声波信号，探头4接收信号，测量超声波探头1到探头4的收发时间TR14；

步骤二：探头2发送超声波信号，探头5接收信号，测量超声波探头2到探头5的收发时间TR25；

步骤三：探头3发送超声波信号，探头6接收信号，测量超声波探头3到探头6的收发时间TR36；

步骤四：探头4发送超声波信号，探头1接收信号，测量超声波探头4到探头1的收发时间TR41；

步骤五：探头5发送超声波信号，探头2接收信号，测量超声波探头5到探头2的收发时间TR52；

步骤六：探头6发送超声波信号，探头3接收信号，测量超声波探头6到探头3的收发时间TR63；

步骤七：通过温度传感器测量温度，根据温度对声速c进行修正；

步骤八：根据修正后的声速c值和TR14、TR25、TR36、TR41、TR52、TR63计算径向风速；

步骤九：对径向风速进行矢量合成，求得风的三维分量，输出测量结果。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤七中通过温度传感器测量温度，根据温度对声速c进行修正包括：系统启动以后，开始温度的测量，等待一小段时间后读取温度信息，计算温度值t，再由温度与声速的关系式c＝331+0.6t，计算温度修正后的声速c。

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤八中计算径向风速包括：设u，v，w为东、北、垂直方向的风速，c为温度修正后的声速，在每一个径向上采用倒数法和时差法分别计算，其中

倒数法为：

$\left\{\begin{array}{c}w=\frac{-L\cos \mathrm{\θ}}{2}(\frac{1}{\mathrm{TR}36}-\frac{1}{\mathrm{TR}63})\\ u=\frac{-L\sin \mathrm{\θ}}{2}(\frac{1}{\mathrm{TR}36}-\frac{1}{\mathrm{TR}63})\end{array}\right.$

时差法为：

$\left\{\begin{array}{c}w=c\·\cos \mathrm{\θ}\frac{\mathrm{TR}36-\mathrm{TR}63}{\mathrm{TR}36+\mathrm{TR}63}\\ u=-c\·\sin \mathrm{\θ}\frac{\mathrm{TR}36-\mathrm{TR}63}{\mathrm{TR}36+\mathrm{TR}63}\end{array}\right.$

上述两种算法结合使用，计算求得最终的u，v，w。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述步骤九中计算径向风速包括：w为垂直风速，u，v合成水平风速vel和风向ang。

其中

设ang0＝arctg|u/v|(当v≠0时)，

If u≥0 and v＞0，ang＝ang0；

If u≥0 and v＜0，ang＝180°-ang0；

If u＜0 and v＜0，ang＝180°+ang0；

If u＜0 and v＞0，ang＝360°-ang0；

If u＞0 and v＝0，ang＝90°。

If u＜0 and v＝0，ang＝270°。

当风向ang表示水平风方向与正北方向的夹角，顺时针旋转0～360°。

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