CN103308917A - 用于实时测量超低空段风的声探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于包括：超声测风系统，收发分置声测风系统，以及将上述两系统测量数据通过融合处理给出1-20m风场剖面数据的基于风场建模的信息融合系统；所述超声测风系统包括：超声换能器阵列单元、超声发射单元、超声接收单元和控制计算单元；所述收发分置声测风系统包括：收发分置声测风相控阵天线和收发分置声测风主机。本发明采用一种创新的方法，运用高精度单点超声测风、收发分置声测风、基于风场建模的信息融合和数据综合处理技术，突破声测风最小高度限制，实现了20米以下风场全剖面实时测量。

Description

用于实时测量超低空段风的声探测系统

技术领域

本发明涉及声波测量风速、风向和垂直气流等气象探测领域，尤其涉及一种用于实时测量超低空段风的声探测系统。

背景技术

在测风领域，常用的手段有声雷达、超声测风仪、测风枪、测风塔、激光雷达、风廓线雷达等。声雷达利用声波后向散射回波的多普勒效应进行风速的探测，但通常采用收发合置声测风技术，依靠相控阵技术依次形成不同方向的发射和接收波束，波束换能器在发射的时候是不能进行接收的。由于超低空风散射的声回波较快，当换能器开始接收时，散射的回波已经消失了，况且还存在换能器响应延迟和收发切换延迟，因此，收发合置测风技术测量的最低高度受限，20m以上风段测量较为准确。测风枪和超声测风仪属单点测风，风场剖面应用领域受限。测风塔一般用于固定点位置测试，且其高度受限。激光雷达是使用激光来进行风速的探测，其探测结果受能见度的影响较大。风廓线雷达属于无线电雷达，测量精度易受电磁环境和地物杂波的干扰，局限性较大。且激光与无线电传播速度较声波快很多，在超低空风测量领域难有用武之地。

目前，现有技术中尚没有实时的，较为准确的方法进行超低空段（1～20m）风场剖面的探测。

发明内容

本发明针对现有技术回波难以接收、实时性差、精度不高的问题，而研制一种能够实现1-20m超低空段风实时测量的声探测系统。本发明运用高精度单点超声测风、收发分置声测风、基于风场建模的信息融合和数据综合处理技术，突破声测风最小高度限制，实现了1-20米风场全剖面实时测量，具体技术手段如下：

1、运用时间倒数和相位差估算方法，对超声传播延时进行估计，构建了声虚温修正模型，采用超声测风技术，实现1m处单点风速风向高精度、实时测量。

2、使用相控阵天线和主机构成收发分置声测风系统，采用微弱回波信号提取和高分辨率多普勒频移方法测量5-20m分层风速、风向数据。

3、在充分研究风场短时平稳特性的基础上，对平稳风场进行数学建模，将风速和风向随高度变化的统计规律由风场数学模型表达出来，通过实时的少数离散测量点值来不断修正风场模型参数，融合单点超声测风和收发分置声测风数据，给出高精度的1-20m全剖面风廓线。

同现有技术相比，本发明的优点是显而易见的：本发明采用一种创新的方法，运用高精度单点超声测风、收发分置声测风、基于风场建模的信息融合和数据综合处理技术，突破声测风最小高度限制，实现了20米以下风场全剖面实时测量。

附图说明

了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图：

图1为本发明实施例提供的一种超低空风探测系统组成示意图；

图2为本发明实施例提供的一种收发分置声测风相控阵阵列构成示意图；

图3本发明实施例提供的一种发射接收时长示意图；

图4为本发明实施例提供的一种回波分段处理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种超低空声测风工作方法流程图；

图6本发明实施例提供的一种收发分置声测风工作方法流程图；

图7本发明实施例提供的一种超声测风工作方法流程图；

图8本发明实施例提供的一种超声测风系统组成示意图。

图9为本发明实施例提供的一种收发分置声测风主机构成示意图；

图10为本发明实施例提供的一种在坐标轴上的波束方向图（其中a为立体视图，b为平面视图）；

图11为本发明实施例提供的一种功率放大原理框图；

图12为本发明实施例提供的一种回波信号预处理模块原理框图。

具体实施方式

如图1和图5所示的一种用于实时测量超低空段风的声探测系统包括：超声测风系统，收发分置声测风系统，以及将上述两系统测量数据通过融合处理给出1-20m风场剖面数据（即包括风速、风向和垂直气流数据）的基于风场建模的信息融合系统。

如图7和图8所示超声测风装置由超声换能器阵列单元、超声发射单元、超声接收单元、控制计算单元和通信单元五部分组成。超声换能器阵列单元由6支超声换能器及其支架和加热装置组成。6支超声换能器及其支架组成超声换能器阵列，每2支超声换能器相对放置，并互相垂直，形成直角正交排列。每个换能器支架和外壳均为金属设计，并且内部嵌套加热线缆，以保证换能器在结冰凝雪时，能够进行均匀加热除冰除雪。超声发射单元为超声换能器提供高压驱动电压信号，将信号幅度提高到合适的幅度。超声接收单元是对超声换能器接收到的信号进行放大和采集。控制计算单元采用高速DSP实现，负责整个设备的控制，通过定时器来控制超声信号的生成，通道选择信号的产生和传输时间的计算，利用高速运算单元实现风速风向的合成与平均；采用标准串口通信控制器进行通信的控制等。通信单元采用标准串口设计，满足RS-232通信协议。

收发两用的压电超声换能器主要实现电能与声能之间的相互转换功能。超声发射单元将控制计算单元产生的200kHz电脉冲信号经过一系列信号处理后驱动超声波换能器，产生超声波信号。超声接收单元将超声波信号经过放大、带通滤波、模数转换后传输给控制计算单元。控制计算单元根据时序要求在一个周期内交替产生六路200kHz的发射信号，并在相对应的接收时刻产生接收控制信号，为防止信号串扰同一时刻仅有一个接收控制信号有效。具体处理过程如下：

1)六路收发可逆的压电陶瓷超声换能器依次进行发射、接收超声信号。

2)一个周期后，采用相位差估算方法计算超声延时。

3)采用时间倒数法计算风速，使用声虚温模型进行修正。

4)累积2分钟后，根据需求可进行算术平均值、滑动平均值的计算，得出1m处单点三维风速和风向。

两组超声换能器在一定的距离上成等距、平行、对向排列，在风的作用下其接收到的时间在顺向和逆向时就会产生时间差，利用这一时间差，可以推导出风速V_d，通常情况下采用计算公式

计算风速，式中：

d为声发射和接收探头间的距离；

t₂-t₁为顺向风和逆向风的传播时间差(s)；

A为与风速和声速有关的系数，A=1-V²/c²。但该公式中声速c受温度、气压和湿度的影响，因此风速测量误差较大。本系统中为提高测量精度，采用相位差估算方法计算超声延时，即t₂-t₁。t₁为逆向风的传播时间，t₂为顺向风的传播时间。采用时间倒数法，推导出风速计算公式

消除了声速项，避免大气温度、气压和湿度等声虚温参数及声速对测风精度的影响。

如图1、图2、图3、图4、图6、图9、图10、图11和图12所示的所述收发分置声测风系统包括：收发分置声测风相控阵天线和收发分置声测风主机；

收发分置声测风主机包括功率放大模块、收发切换模块、回波信号预处理模块、DSP模块四部分。功率放大模块：完成发射信号的功率放大。收发切换模块：完成天线收发信号的控制。回波信号预处理模块：回波信号进行前置放大、滤波和程控增益。DSP模块：外接键盘和OLED，可以实现人机交互。相控阵天线由64个压电陶瓷换能器阵元构成阵列，通过波束形成模块完成多波束指向的切换。发射和接收均是部分换能器子阵拼接为一路，通过调整相位，形成一定方向的波束。参照图2,表示本发明的收发分置声测风相控阵天线的结构包括：64个换能器以8×8的方式紧密排列，天线截面形状为正四边形。其中中间28个换能器成“十”字型，为发射阵元（图中标注B所指示位置），用于发射声波信号。4个角落分别布设9个阵元，共计36阵元形成稀疏孔径阵列作为接收阵元（图中标注A所指示位置），用于接收声回波信号。

工作时发射阵列顺序产生测风所需的5个高指向性-25dB的发射波束，波束指向采用相控技术控制指向不同方向的波束，旁瓣控制采用-25dB切比雪夫加权。同时接收阵列依次相应的产生5个-35dB的低旁瓣波束同步工作，采用相控技术控制波束方向和稀疏阵列波束优化技术进行旁瓣控制，在束控同时抑制噪声和干扰。旁瓣控制基于二阶锥波束优化技术优化得到。

参照图3给出发射接收时长示意图。发射信号采用多频编码方式，即每个频率持续一段时间，有多个频率连续跳变。这种多频编码方式，使得在同一高度上的回波信号是多个不同频率的回波信号的累积。具体的，发射信号采用单频正弦波的形式，频率为3400Hz，脉宽60ms。在发射的同时，接收换能器进行接收，时长150ms。两个发射波束之间的间隔为200ms，1s内5个波束方向均发射/接收一次，由于接收时，发射信号还存在，因此发射波形的声压级控制在100dB左右；接收信号放大倍数在30～50dB之间可调。其实施步骤如下：

A.对接收的信号先进行剔除频率固定的发射信号。按照分层高度，分段进行处理。每段数据的长度为60ms，对应的层高为10米。采用滑动的方式，第一段数据（中间点位置）对应的高度为5米，以后依次为10米、15米、20米，如图4所示。（由一套收发分置声测风装置，该装置可以测量不同高度层的风速风向垂直气流。）

B.将回波信号按照高度层进行分段，对每一段数据作FFT分析。将每一个层面上的回波信号功率谱进行平均，在时域累积的基础上，重复上述过程。每当一组功率谱生成，即与上一组对应的谱线相加。根据脉冲重复周期和累积时间的关系，经过144次，改善信噪比，提取有用的微弱回波信号。

C.最终波束成形算法改善20dB信噪比，6min的信号累积改善信噪比约30dB，提取出多普勒频移信号。

通过 $\begin{array}{c}W=(V_{\mathrm{rn}}+V_{\mathrm{rs}})/2\cos \mathrm{\θ}\\ U=(V_{\mathrm{rz}}\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{rw}})/\sin \mathrm{\θ}\\ V=(V_{\mathrm{rz}}\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{rs}})/\sin \mathrm{\θ}\end{array}$ 公式计算，得到五个径向方向不同层高上的风速，进而得出分层风向和垂直气流数据。

收发分置声测风工作方法，其步骤包括：

d.采用相控阵天线发射单元，向大气中发射声编码信号。声波在大气中各向散射，接收单元接收后向散射波。

e.利用低噪声、低温漂的运放对信号进行一定增益的放大。在变压器后端引入差分放大器。前置放大电路的增益控制在50dB左右。

f.对前置放大以后的信号，先通过一个6阶的巴特沃思滤波器，再根据信号的大小，进行0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB六个档位不同增益的放大。环境噪声大，选用高档位增益，环境噪声小，选用低档位增益。

g.利用各向同性湍流理论，计算大气每段分层空间的风速、风向，给出5-20m分层结果。

参照图9给出了收发分置声测风主机构成示意图，收发分置声测风主机主要由功率放大模块、收发切换模块、回波信号预处理模块、DSP模块四部分组成。具体的工作步骤为：

a)DSP模块通过DA产生系统工作时序中所需的数字IO信号，并将发射信号送往功率放大模块进行放大；

b)功率放大模块将DSP模块发来的正弦信号放大后，通过收发切换模块的控制有序地推动收发分置相控阵天线阵列工作。发射信号为5个方向的5路信号发射的同时，进行接收，时序详情参见附图3，波束方向参见附图10。

c)回波信号预处理模块将回波信号进行前置放大、滤波和程控增益，参加附图11。处理后，信号经AD采集再送往DSP模块。

参照图10给出了收发分置声测风装置五波束在坐标轴上的方向图。具体的，发射波形有5个波束方向，分别以n、e、s、w、z代表北、东、南、西和垂直方向的波束，其中V_rn为北方向波束径向方向的风速、V_re为东方向波束径向方向的风速、V_rs为南方向波束径向方向的风速、V_rw为西方向波束径向方向的风速、V_rz为垂直方向波束径向方向的风速，U、V、W分别代表风速矢量在东、北、垂直方向上的分量，θ为波束倾角，则有：

V_rn=Vsinθ+Wcosθ

V_re=Usinθ+Wcosθ

V_rs=-Vsinθ+Wcosθ

V_rz=W

在五波束中选择三个不在同一平面的波束进行合成，可以得到U,V。W=V_rz

U=(V_rzcosθ-V_rw)/sinθ

V=(V_rzcosθ-V_rs)/sinθ

本系统为了测量垂直气流的误差，将上述公式中W的计算修改为W=(V_rn+V_rs)/2cosθ。

得到风速计算公式 $\begin{array}{c}W=(V_{\mathrm{rn}}+V_{\mathrm{rs}})/2\cos \mathrm{\θ}\\ U=(V_{\mathrm{rz}}\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{rw}})/\sin \mathrm{\θ}\\ V=(V_{\mathrm{rz}}\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{rs}})/\sin \mathrm{\θ}\end{array}.$

参照图11给出了收发分置声测风主机功率放大模块原理框图。其步骤为：

1)采用脉宽驱动控制芯片TL494和驱动电路，将输入的12V电源通过DC/DC转换器耦合、整流滤波后转换成±24V的电压，作为功率放大器的控制电压。

2)在输入端对DA产生的信号，加入一阶低通滤波放大，滤除高频成分。

3)采用互补对称式推挽功率放大，输出级采用直接耦合，改善其低频响应和失真度。

4)通过改变死区控制时间，对功放的过流、过压、短路、温度过热进行自动保护。

参照图12给出了收发分置相控阵天线回波信号预处理模块原理框图，其步骤为：

1)利用变压器进行阻抗变换，并在变压器后端引入差分放大器，为了防止低频干扰信号经过高增益的放大倍数后产生不必要的多次谐频。选用低噪声、低温漂的运放进行放大。

2)对前置放大以后的信号，先通过一个高通滤波器，滤除低频干扰噪声，再根据信号的大小，进行不同增益的放大。程控增益放大倍数有0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB六个档位，根据环境噪声大小进行选配。使用带通滤波器避免引入带外噪声。

控制计算单元和收发分置声测风主机分别将，1m处风速和风向以及5-20m分层风速和风向数据发送给基于风场建模的信息融合系统（本实施例所示，基于风场建模的信息融合系统由收发分置声测风主机实现，收发分置声测风主机本身可以得到收发分置声测风每层风速风向垂直气流结果，在通过串口获得超声测风装置的结果。然后进行融合）进行融合处理，具体过程如下：系统初始累积6分钟后，给出第一组1-20m间隔5m分层结果，之后每2分钟给出一组结果。通过插值算法，每2分钟给出一组1-20m全剖面风场数据对平稳风场进行数学建模，将风速和风向随高度变化的统计规律由风场数学模型表达出来，一般采用风廓线平均风随高度的变化来描述风场的特性。本系统中采用固定高度上两分钟内测得的风速的均值建立准定常风直线模型，W_yb=k*y+b，其中W_yb为准定常风，k为风速随高度增加的比例系数，b为地面风速，y为高度。

用

表示水平风速在给定高度上的切变强度并随高度呈线性变化。

计算五个方向上的风分量相对于两分钟内风速平均值的短暂的正、负偏差计算阵风，用Wd表示。由Matlab函数库的随机函数生成一个元素在0～1之间的均匀分布的随机数，表示无法事先预知的随机风，用Wr表示。最后，得出短时风场模型为WM=Wyb+Wn+Wd+Wr。非测量时间，采用数据训练的方法，对短时风场模型进行量化。测量时，通过实时的少数离散测量点值来不断修正风场模型参数，融合单点超声测风和收发分置声测风数据，给出高精度的1-20m全剖面风廓线。

本发明实施例运用高精度单点超声测风、收发分置声测风、基于风场建模的信息融合和数据综合处理技术，突破声测风最小高度限制，实现了20米以下风场全剖面实时测量，该方法突破了超低空段风声回波的实时被动接收、换能器综合布阵、高精度超声传播延时估计和信息融合处理等关键技术，有效提高了超低空段风测量性能，填补了国内外技术空白。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于包括：

超声测风系统，收发分置声测风系统，以及将上述两系统测量数据通过融合处理给出1-20m风场剖面数据的基于风场建模的信息融合系统；

所述超声测风系统包括：

用于发射、接收超声信号的超声换能器阵列单元；

用于向超声换能器阵列单元中的超声换能器提供高压驱动电压信号的超声发射单元；

用于对超声换能器阵列单元中的超声换能器接收到的信号进行放大和采集的超声接收单元；

以及通过控制超声发射单元和超声接收单元，实现控制超声换能器阵列单元依次进行发射、接收超声信号；并在一个周期后，采用相位差估算方法计算超声延时；然后采用时间倒数法计算风速，使用声虚温模型进行修正；最后通过时间累积，进行算术平均值、滑动平均值的计算，得出1m处单点三维风速和风向的控制计算单元；

所述收发分置声测风系统包括：收发分置声测风相控阵天线和收发分置声测风主机

所述收发分置声测风相控阵天线包括用于发射声波信号的发射阵元和用于接收声回波信号的接收阵元；

所述收发分置声测风主机包括：

用于完成发射信号的功率放大的功率放大模块；

用于完成收发分置声测风相控阵天线收发信号的控制的收发切换模块；

用于将回波信号进行前置放大、滤波和程控增益的回波信号预处理模块；

以及对接收的信号先进行剔除频率固定的发射信号；然后按照分层高度，分段进行处理；再按照回波信号按照高度层进行分段，对每一段数据作FFT分析，将每一个层面上的回波信号功率谱进行平均，在时域累积的基础上，重复上述过程，每当一组功率谱生成，即与上一组对应的谱线相加，后提取有用的微弱回波信号；再通过波束成形算法改善信噪比，后提取出多普勒频移信号；最后通过公式计算 $\begin{array}{c}W=(V_{\mathrm{rn}}+V_{\mathrm{rs}})/2\cos \mathrm{\θ}\\ U=(V_{\mathrm{rz}}\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{rw}})/\sin \mathrm{\θ}\\ V=(V_{\mathrm{rz}}\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{rs}})/\sin \mathrm{\θ}\end{array},$ 得到五个径向方向不同层高上的风速，

其中V_rn为北方向波束径向方向的风速、V_re为东方向波束径向方向的风速、V_rs为南方向波束径向方向的风速、V_rw为西方向波束径向方向的风速、V_rz为垂直方向波束径向方向的风速，U、V、W分别代表风速矢量在东、北、垂直方向上的分量，θ为波束倾角，进而得出分层风向和垂直气流数据的DSP模块；

所述控制计算单元和收发分置声测风主机分别将，1m处风速和风向以及5-20m分层风速和风向数据发送给基于风场建模的信息融合系统进行融合处理，具体过程如下：对平稳风场进行数学建模，将风速和风向随高度变化的统计规律由风场数学模型表达出来：首先采用固定高度上两分钟内测得的风速的均值建立准定常风直线模型，W_yb=k*y+b，其中W_yb为准定常风，k为风速随高度增加的比例系数，b为地面风速，y为高度；然后用表示水平风速在给定高度上的切变强度并随高度呈线性变化；再通过计算五个方向上的风分量相对于一个周期内风速平均值的短暂的正、负偏差计算阵风，用W_d表示；再通过随机函数生成一个元素在0～1之间的均匀分布的随机数，表示无法事先预知的随机风，用W_r表示；最后，得出短时风场模型为W_M=W_yb+W_n+W_d+W_r，获得1-20m全剖面风廓线。

2.根据权利要求1所述的一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于所述超声换能器阵列单元包括6支超声换能器及其支架和加热装置，每2支超声换能器相对放置，并互相垂直，形成直角正交排列；每个超声换能器支架和外壳均为金属设计，并且内部嵌套加热线缆。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于所述控制计算单元通过时间倒数法计算风速，具体计算方法如下：

式中d为声发射和接收探头间的距离；t₂-t₁为顺向风和逆向风的传播时间差；t₁为逆向风的传播时间，t₂为顺向风的传播时间。

4.根据权利要求1所述的一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于所述收发分置声测风相控阵天线由64个换能器阵元构成，且64个换能器以8×8的方式紧密排列，天线截面形状为正四边形。其中中间28个换能器成“十”字型，为发射阵元，用于发射声波信号；4个角落分别布设9个阵元，共计36阵元形成稀疏孔径阵列作为接收阵元，用于接收声回波信号。

5.根据权利要求4所述的一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于所述收发分置声测风相控阵天线工作时发射阵列顺序产生测风所需的5个高指向性-25dB的发射波束，波束指向采用相控技术控制指向不同方向的波束，旁瓣控制采用-25dB切比雪夫加权；同时接收阵列依次相应的产生5个-35dB的低旁瓣波束同步工作，采用相控技术控制波束方向和稀疏阵列波束优化技术进行旁瓣控制，在束控同时抑制噪声和干扰；且旁瓣控制基于二阶锥波束优化技术优化得到。

6.根据权利要求4所述的一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于所述收发分置声测风主机还进行：

a.采用相控阵天线发射单元，向大气中发射声编码信号；声波在大气中各向散射，接收单元接收后向散射波。

b.利用低噪声、低温漂的运放对信号进行一定增益的放大。在变压器后端引入差分放大器。前置放大电路的增益控制在50dB左右。

c.对前置放大以后的信号，先通过一个6阶的巴特沃思滤波器，再根据信号的大小，进行0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB六个档位不同增益的放大。

7.根据权利要求1所述的一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于所述基于风场建模的信息融合系统还包括：非测量时间，采用数据训练的方法，对短时风场模型进行量化；测量时，通过实时的少数离散测量点值来不断修正风场模型参数，融合单点超声测风和收发分置声测风数据，给出高精度的1-20m全剖面风廓线。

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