CN106483327A - 一种超声波测风系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波测风系统及方法。该系统包括超声波换能器探头、电路板、底座和反射面，所述超声波换能器探头用于发射和接收具有设定波瓣宽度的脉冲信号，所述超声波换能器探头两两相对设置，所述两两相对设置的两个超声波换能器探头为一组，将两两相对的超声波换能器之间的连线记为连接线，所述系统中至少有两组的连接线相互垂直，所述每一组中的超声波换能器探头发出的超声波经过所述反射面的反射后均能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收，而且，只能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收。本发明提供的超声波测风系统及方法能够在保障测量结果的准确性的同时，实现测风系统的小型化。

Description

一种超声波测风系统及方法

技术领域

本发明涉及风速测量领域，特别是涉及一种超声波测风系统及方法。

背景技术

为了满足我国海洋观测的发展需求，研制小型一体化自动气象站已刻不容缓。目前，自动气象站的超声波测风系统采用的测量方法多为时间差法，基于时间差测量方法的超声波测风系统，对于收发超声波信号的超声波换能器之间的距离有着一定的要求，距离越小，驱动超声波换能器发射超声波信号和接收到超声波回波信号之间的时间间隔越短，测量误差越大，直接影响着整个测风系统的测量性能。为了确保整体测风系统的测量精度和稳定性，目前市面上比较成熟的超声波测风系统采用时间差的测量方法，声程基本都在100mm以上，受测量原理本身的限制，基于时间差测量方法的超声波测风系统实现小型化有一定的难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波测风系统及方法，能够在保障测量结果的准确性的同时，实现测风系统的小型化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超声波测风系统，所述系统包括：

超声波换能器探头，所述超声波换能器探头用于发射和接收具有设定波瓣宽度的脉冲信号，所述超声波换能器探头的数量为多个，所述超声波换能器探头两两相对设置，所述两两相对设置的两个超声波换能器探头为一组，将两两相对的超声波换能器之间的连线记为连接线，所述系统中至少有两组的连接线相互垂直，所述每组中的两个超声波换能器探头之间相互发送和接收超声波信号；

电路板，所述超声波换能器探头固定在所述电路板上，所述电路板以嵌入的方式安装在换能器安装板上；

反射面，所述反射面与所述超声波探头相对设置，所述每一组中的超声波 换能器探头发出的超声波经过所述反射面的反射后均能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收，而且，只能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收。

可选的，所述超声波换能器探头的几何中心位于同一圆周上，所述超声波换能器探头的数量为四个，分别为第一超声波换能器探头、第二超声波换能器探头、第三超声波换能器探头和第四超声波换能器探头，所述第一超声波换能器探头与所述第二超声波换能器探头相对设置，所述第三超声波换能器探头与所述第四超声波换能器探头相对设置，第一连接线与第二连接线相垂直，所述第一连接线为所述第一超声波换能器探头与所述第二超声波换能器探头之间的连线，所述第二连接线为所述第三超声波换能器探头与所述第四超声波换能器探头之间的连线。

可选的，所述系统还包括：

支撑铜柱，所述支撑铜柱位于所述底座与所述换能器安装板之间，用于固定所述反射面，支撑换能器安装板；

顶盖，所述顶盖与所述换能器安装板之间设置有第一传感器安装板，所述第一传感器安装板上安装有GPS模块和姿态校正模块；

外部接线端，所述接线端包括电源线、地线、指令发送端和数据接收端，所述电源线和地线用于与外部电源相连接，所述指令发送端和所述数据接收端用于与用户应用控制平台相连接。

可选的，所述系统还包括底座，所述底座的上表面设置有第二传感器安装板，所述第二传感器安装板上安装的传感器包括温度传感器、湿度传感器和气压传感器。

可选的，所述电路板上设置有控制系统，所述控制系统包括微控制器模块、工作时序控制模块、超声波回波信号处理模块和信号判断模块，所述微控制器模块分别与所述工作时序控制模块、所述信号判断模块相连接，所述工作时序控制模块与所述超声波回波信号处理模块相连接，所述超声波回波信号处理模块与所述信号判断模块相连接。

可选的，所述工作时序控制模块包括超声波信号发射驱动电路子模块、超声波回波信号接收通道开关控制电路子模块、超声波换能器，所述工作时序控 制模块用于控制超声波换能器的工作状态和工作时序。

可选的，所述超声波回波信号处理模块包括滤波放大电路子模块，所述滤波放大电路子模块由四个一阶带通滤波放大器耦合连接而成，所述超声波回波信号处理模块用于对超声波信号进行放大、滤波处理。

可选的，所述信号判断模块包括比较电路子模块，所述信号判断模块用于将滤波放大后的超声波回波信号通过比较器进行数据转换并送至微控制器。

本发明还提供了一种超声波测风方法，所述方法应用于如权利要求1所述超声波测风系统，所述方法包括：

对于所述系统中相互垂直的两组超声波换能器探头，获取每个所述超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波信号的次数，得到接收频率；

根据所述接收频率计算风速。

可选的，所述根据所述接收频率计算风速与风向，具体包括：

对于所述两组超声波换能器探头中的一组超声波换能探头，根据公式计算风速V_x，其中，c为超声波的传播速度，α为发射的超声波射到所述系统中的反射板的入射角度，f_s为无风时超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波的次数，f_r为测风速时所述超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波的次数，V_x为所测风速沿所述一组超声波换能器探头中的超声波发射端到超声波接收端方向的风速分量；

对于所述两组超声波换能器探头中的另一组超声波换能探头，根据公式计算风速V_y，其中，V_y为所测风速沿所述一组超声波换能器探头中的超声波发射端到超声波接收端方向的风速分量；

将所述风速和所述风速根据公式进行矢量合成，得到所述所测风速。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：利用超声波换能器接收到的超声波回波信号频率不同来测量相应的风速，与传统的采用时间差法超声波测速相比，无需准确判断超声波回波信号的到达时刻，可以缩短收发超声波换能器之间的距离，从而实现整个测风系统的小型化，此外，本发明采用嵌入式的方法安装超声波换能器，保护超声波换能器探头，有效提高其抗干扰能力和稳定可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例超声波测风系统的结构示意图；

图2为本发明实施例超声波测风系统超声波换能器探头安装位置示意图；

图3为本发明实施例超声波测风方法流程图；

图4为本发明实施例超声波测风系统风速测量原理示意图；

图5为本发明实施例超声波测风系统风向确定原理示意图；

图6为本发明实施例超声波测风系统的硬件构成示意图；

图7为本发明实施例超声波测风系统主电路结构示意图；

图8为本发明提供的微型自动海洋气象观测系统的硬件构成示意图；

图9为GPS定位子系统的硬件电路设计图；

图10为姿态校正子系统硬件电路设计图；

图11为气温测量子系统硬件电路设计图；

图12为气压测量子系统硬件电路设计图；

图13为相对湿度测量子系统硬件电路设计图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够在保障测量结果的准确性的同时，实现测风系统的小型化的超声波测风系统及方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例超声波测风系统的结构示意图，如图1所示，测风系统包括：超声波换能器探头101、102、103、104、反射面106、支撑铜柱107、底座111、顶盖110、换能器安装板105、外部接线端112和电路板，超声波换能器探头101、102、103、104安装在电路板上，固定有四个超声波换能器探头101，102，103，104的电路板嵌入式的安装在换能器安装板105上，换能器安装板可由模具成型或者用数控机床加工，精度高，一致性好，反射面与换能器安装板构成一个稳定牢固的整体，结构坚固，不易变形，确保了测量精度。而且这种结构设计能够阻挡一定的沙尘和雨雪，也消除了测量结构难以固定和 信号强度随风速剧烈变化对测量造成的影响，使其在结构上具有比对射式超声波测风方法更好的环境适应能力。

超声波换能器探头为收发一体、余振时间短、接收灵敏度高和辐射方向性弱的类型，其发射脉冲具有一定的波瓣宽度，以保证超声波信号能稳定可靠地被发射和接收，超声波换能器探头的性能指标如表一所示：

表1超声波换能器性能指标

本发明提供的超声波测风系统中，超声波换能器探头两两相对，且相对的两个超声波换能器探头为一组，将两两相对的超声波换能器之间的连线记为连接线，所述系统中至少有两组的连接线相互垂直，每组中的两个超声波换能器探头之间相互发送和接收超声波信号，为了保证接收探头能顺利接收到超声波回波信号，发射探头的波束必须有一定宽度，而不能是点波束。风速越高，要求超声波换能器探头的发射脉冲的波瓣宽度越大。

支撑铜柱107包括四根，安装于超声波换能器探头相位中心组成的圆环之外，在保证机械强度和超声波信号传输角度的情况下，支撑铜柱直径尽量短，以减少对风的遮挡，支撑铜柱不仅起到固定反射面的作用，而且利用其导电特 性可以将内部各电路板有效地级联在一起，减少外部接线，使得整体测量结构小巧耐用。

顶盖110为圆弧面，使雨雪不易堆积。

顶盖110和换能器安装板105之间还设置有第一传感器安装板108，第一传感器安装板108上安装有GPS模块和姿态校正模块，所述姿态校正模块包括三轴地磁传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪，实现超声波测风系统在左右摇摆、上下晃动、前后翻动等动态条件下对测量值的数据补偿，以确保数据的精确性、稳定性和可靠性。

底座111的上表面设置有第二传感器安装板109，第二传感器安装板109上安装有温度传感器、湿度传感器、气压传感器等，实现气温、空气湿度、气压等环境信号的测量。

外部接线端112内包括电源线(VCC)和地线(GND)，其与外部电源相连；指令发送端(TXD)和数据接收端(RXD)，其与用户应用控制平台相连。

图2为本发明实施例超声波测风系统超声波换能器探头安装位置示意图，如图2所示，本发明以四个超声波换能器探头为例，第一超声波换能器探头101与第二超声波换能器探头102相对设置，第三超声波换能器探头103与第四超声波换能器探头104相对设置，第一超声波换能器探头101与第二超声波换能器探头102之间相互发送、接收超声波信号，第三超声波换能器探头103与第四超声波换能器探头104之间相互发送、接收超声波信号，建立如图2所示的坐标系。

图2中“+”、“-”两端分别代表四个超声波换能器各自的两个引脚；①、②、③、④分别代表驱动四个超声波换能器发射超声波信号和接收超声波回波信号的先后次序；各直线条的起点分别代表四个超声波换能器的发射端，终点(箭头端)分别代表四个超声波换能器的接收端，直线条的方向分别代表超声波信号的传输路径。本发明提供的系统采用发射若干个方波调制脉冲的方案，为了既保证接收到的超声波回波信号幅度，又缩短接收到的超声波回波信号长度，还要避免出现驱动超声波换能器发射的超声波信号和超声波换能器接收到的超声波回波信号出现重叠，影响测量，本发明提供的超声波测风系统的每个探头单次发射脉冲个数为15个，脉冲幅值大小为6.5V。

频率法是通过将收发一体的超声波换能器按照顺风发射接收、逆风发射接收进行安装，在一段固定的时间内，驱动超声波换能器发射超声波脉冲信号，该超声波回波信号被超声波换能器接收端接收，通过硬件电路与软件程序设计捕捉超声波回波信号，测量接收到的超声波回波信号频率，并驱动另一个超声波换能器发射超声波脉冲信号，从而组成一个超声波信号发射和超声波回波信号接收的循环系统，在顺风与逆风条件下，通过测量超声波换能器接收到的超声波回波信号的频率值来最终获得风速值。风向和超声波传播方向同向时，超声波在空气中的传播速度提高，对于接收端来说，相较于无风时，单位时间接收到的波的个数增加，接收到的超声波回波信号频率升高；风向和超声波传播方向反向时，超声波在空气中的传播速度降低，对于接收端来说，相较于无风时，单位时间接收到的波的个数减少，接收到的超声波回波信号频率降低。

本发明还提供了一种超声波测风方法，如图3所述，图3为本发明实施例超声波测风方法流程图：

步骤301：对于所述系统中相互垂直的两组超声波换能器探头，获取每个所述超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波信号的次数，得到接收频率；

步骤302：根据所述接收频率计算风速：对于所述两组超声波换能器探头中的一组超声波换能探头，根据公式计算风速V_x，其中，c为超声波的传播速度，α为发射的超声波射到所述系统中的反射板的入射角度，f_s为无风时超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波的次数，f_r为测风速时所述超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波的次数，V_x为所测风速沿所述一组超声波换能器探头中的超声波发射端到超声波接收端方向的风速分量；

对于所述两组超声波换能器探头中的另一组超声波换能探头，根据公式计算风速V_y，其中，V_y为所测风速沿所述一组超声波换能器探头中的超声波发射端到超声波接收端方向的风速分量；

将所述风速和所述风速根据公式进行矢量合成，得到所述所测风速。

以具有两组的超声波换能器探头的系统为例，对上述方法步骤进行详细说明：两组收发一体超声波换能器探头在水平面以正交方式放置，每组探头中的两个探头相距为L，以X方向一组探头为例，规定风由左向右吹来为顺风向，风由右向左吹来为逆风向，假设超声波换能器发射的一路波束入射角为，沿方向的风速为，超声波在空气中的传播速度为，无风时超声波回波信号的接收频率为，将超声波传播速度沿方向进行正交分解得到两个分量为和，对应的反射式超声波风速风向测量系统的信号传播如图4所示，图4为本发明实施例超声波测风系统风速测量原理示意图。

(1)顺风向条件下，当超声波换能器探头104发射超声波信号时，超声波换能器探头103接收到的超声波回波信号频率为：

解得顺风向时的风速为：

(2)逆风向条件下，当超声波换能器探头104发射超声波信号时，超声波换能器探头103接收到的超声波回波信号频率为：

解得逆风向时的风速为：

(3)顺风向条件下，当超声波换能器探头103发射超声波信号时，超声波换能器探头104接收到的超声波回波信号频率为：

解得顺风向时的风速为：

(4)逆风向条件下，当超声波换能器探头103发射超声波信号时，超声波换能器探头104接收到的超声波回波信号频率为：

解得逆风向时的风速为：

(5)同理，可求得Y方向风速V_y。

(6)利用正交合成的方法，将V_x和V_y合成为平面风速V，即得：

(7)求出风向D。根据相应超声波换能器接收到的超声波回波信号频率大小即可判断风向，具体的风速风向与频率之间的关系如5所示，图5为本发明实施例超声波测风系统风向确定原理示意图。

图6为本发明实施例超声波测风系统的硬件构成示意图，如图6所示，系统的硬件主要由微控制器子系统、工作时序控制子系统、超声波回波信号处理子系统、信号判决子系统和用户应用控制平台五部分组成。其中，微控制器子系统包括微控制器模块、电源模块、串口通信模块和调试接口模块，主要实现的功能包括超声波换能器的驱动控制、超声波回波信号的采集与处理以及和用户应用控制平台之间的通信；工作时序控制子系统包括超声波信号发射驱动电路模块、超声波回波信号接收通道开关控制电路模块、四个超声波换能器组成的超声波信号收发转换模块，主要实现的功能是控制四个超声波换能器的工作状态和工作时序；超声波回波信号处理子系统包括四级滤波放大电路模块，主要实现的功能是对输出的原始超声波信号进行放大、滤波处理，信号判决子系统主要就是比较器模块，将滤波放大后的超声波回波信号通过比较器进行数据转换并送至微控制器，微控制器进行ADC采样判断和脉冲输入捕捉，测得接收到的超声波回波信号频率并计算风速风向。另外，系统支持串口通信，微控制器通过通用同步异步收发器(Universal SynchronousAsynchronous Receiver and Transmitter，USART)可将测量数据传输至用户应用控制平台进行保存，便于以后的数据分析与处理。

图7为本发明实施例超声波测风系统主电路结构示意图，如图7所示，超 声波发射信号控制线701(4条)：微控制器驱动101、102、103和104四个超声波换能器发射超声波信号；模拟选择开关通道控制线702(4条)：微控制器控制模拟多路选择开关对应通道的打开和关闭；超声波回波信号传输线703(4条)：模拟多路选择开关对应通道打开后，将超声波回波信号通过74HC4051模拟选择开关对应通道传输到后续滤波放大电路中；滤波放大信号采样监控线704(4条)：微控制器通过AD采样监控超声波回波信号滤波放大效果，判断超声波换能器是否接收到超声波回波信号；数据发送接收线705(2条)：用于微控制器与上位机之间进行数据通信传输；软件下载与硬件调试接口线706(2条)：用于调试程序代码。

程序控制四个超声波换能器工作一个循环时序如下：

微控制器通过程序驱动超声波换能器探头101(ET1)发射15个连续的、频率为40KHz、峰-峰值为0～+3.3V、占空比为50％的方波信号，超声波换能器ET2接收超声波回波信号，同时控制EN端输出低电平，A端输出高电平，B端输出低电平，C端输出低电平，连通X1-X通道，使超声波回波信号可以通过X端输出到后续电路，首先进行ADC采样判断超声波换能器探头102(ET2)接收到超声波回波信号，然后开启输入捕捉端口对脉冲上升沿进行捕捉，同时开启时钟脉冲计数器进行计数，连续捕捉4个上升沿，总共捕捉2次，读取捕捉事件发生时的时钟脉冲计数值，记为T₁和T₂，则一个脉冲的频率即为

T＝(T₂-T₁)/4

即可求得该次超声波回波信号频率为

f₂＝4/(T₂-T₁)

微控制器通过程序驱动超声波换能器探头102(ET2)发射15个连续的、频率为40KHz、峰-峰值为0～+3.3V、占空比为50％的方波信号，超声波换能器探头101(ET1)接收超声波回波信号，同时控制EN端输出低电平，A端输出低电平，B端输出低电平，C端输出低电平，连通X0-X通道，使超声波回波信号可以通过X端输出到后续电路，同理，可求得该次超声波回波信号频率f₁；

微控制器通过程序驱动超声波换能器探头103(ET3)发射15个连续的、 频率为40KHz、峰-峰值为0～+3.3V、占空比为50％的方波信号，超声波换能器探头104(ET4)接收超声波回波信号，同时控制EN端输出低电平，A端输出高电平，B端输出高电平，C端输出低电平，连通X3-X通道，使超声波回波信号可以通过X端输出到后续电路，同理，可求得该次超声波回波信号频率f₄；

微控制器通过程序驱动超声波换能器探头104(ET4)发射15个连续的、频率为40KHz、峰-峰值为0～+3.3V、占空比为50％的方波信号，超声波换能器探头103(ET3)接收超声波回波信号，同时控制EN端输出低电平，A端输出低电平，B端输出高电平，C端输出低电平，连通X2-X通道，使超声波回波信号可以通过X端输出到后续电路，同理，可求得该次超声波回波信号频率f₃；

一个工作循环完成时，程序控制计数器同时递加1次，计数器总计累加到100次时，也就是程序执行时间大约在3秒左右(根据海滨观测规范(GB/T14916-2006)要求：每3s采集一次，作为瞬时风速和相应风向)，分别对程序内部缓存中测量得到的各100个f₁，f₂，f₃，f₄进行软件算数平均值滤波，利用频率法，对数据进行矢量合成，求得风速风向值作为瞬时风速和相应风向，进行算数平均值滤波，即

其中，X_i为测量值，N为测量个数，Y为瞬时风速值。这种软件滤波算法的优势在于对一般具有随机噪声的信号进行滤波，特点是经算术平均值滤波法后所得信号是一个平均值，在某一个数值范围附近浮动。算数平均值滤波法对信号的平滑滤波程度完全取决于N值的大小，N值较大，平滑度高，灵敏度低，即测量信号的变化对计算结果Y的影响小；N值较小，平滑度低，灵敏度高，即测量信号的变化对计算结果Y的影响大。应视具体情况选取N值，本系统所选择的N值为100，达到了既少占用计算时间，又得到较好测量精度的目的。

图8为本发明提供的微型自动海洋气象观测系统的硬件构成示意图，如图8所示，微型自动海洋气象观测系统的硬件主要由主控子系统、气温测量子系统、气压测量子系统、相对湿度测量子系统、相对风速风向测量子系统、姿态 校正子系统和用户应用控制平台七部分组成。其中，主控子系统包括微控制器模块、电源模块、串口通信模块和调试接口模块；气温测量子系统主要包括核心温度测量元器件及其外围电路；气压测量子系统主要包括核心气压测量元器件及其外围电路；相对湿度测量子系统主要包括核心相对湿度测量元器件及其外围电路；相对风速风向测量系统主要包括超声波换能器组模块、模拟多路选择开关模块、四级滤波放大电路模块、电压比较电路模块及其外围电路等；姿态校正子系统主要包括三轴地磁传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪及GPS通信模块及其外围电路等。主控子系统和相对风速风向测量子系统通过串行总线(Inter-Integrated Circuit，IIC)连接在一起，简化了信号传输总线接口，实现了数据的高效实时传输。另外，系统支持串口通信，主控子系统通过通用同步异步收发器(Universal Synchronous Asynchronous Receiverand Transmitter，USART)可将测量数据传输至用户应用控制平台进行保存，便于以后的数据分析与处理。

图9为GPS定位子系统的硬件电路设计图，如图9所示，微型自动海洋气象观测站的GPS定位子系统选用的GPS模块为深圳市微科通讯设备有限公司的VK1616U7G5L，其外形尺寸为长16mm*宽16mm*高6.5mm，模块工作温度为-40℃-+85℃。定位性能为水平位置精度<2.5m，定位速率<0.1m/s，定位方向<0.5°，授时精度30ns。平均冷启动时间29s，平均温启动时间28s，平均热启动时间1s。

GPS定位子系统电路设计图中各标号说明如下：

(1)VK1616U7G5L型号的GPS模块的使能控制线902(1条)：通过程序控制微控制器，使能GPS模块的相应控制线控制GPS模块工作与否；

(2)数据发送902、接收线903：通过程序控制微控制器，实现微控制器与GPS模块之间的数据和指令的通信传输；

(3)有源天线控制线904(1条)：用于接收外部有源天线信号的输入。

图10为姿态校正子系统硬件电路设计图，如图10所示，微型自动海洋气象观测站的姿态校正子系统主要用于实现微型自动气象观测站在左右摇摆、上下晃动、前后翻动等动态条件下的相对风速风向测量值的数据补偿，以确保数据的精确性、稳定性和可靠性，进而得到真风速风向。采用的是君悦智控高精 度惯性导航模块JY-901。其内部主要集成有三轴地磁传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪。模块内部集成有姿态解算器，利用先进的动态卡尔曼数字滤波技术，能够在微型自动气象观测站的动态条件下准确、实时、高速地输出其当前姿态。其外形尺寸为长15.24mm*宽15.24mm*高2mm。测量维度为3维加速度，3维角速度，3维磁场，3维角度，量程为加速度：±16g，角速度：±2000°/s，角度：±180°。分辨率为加速度：6.1*10^-5g，角速度：7.6*10^-3°/s。测量精度为加速度：0.01g，角速度0.05°/s，姿态精度为0.01°。

JY-901模块可以通过串口或IIC接口连接MCU，这里微控制器模块通过串行数据输入/输出接口与JY-901模块进行数据通信。具体风速风向修正方法如下：

两组收发一体超声波换能器探头在水平面以X-Y正交方式放置，每组探头中的两个探头相距为L，以X方向一组探头为例，规定风由左向右吹来为顺风向，风由右向左吹来为逆风向。假设水平静止时，将风速V分解为沿X方向的风速为V_x，沿Y方向的风速为V_y。超声波在空气中的传播速度为c，将超声波传播速度c沿X-Y方向进行正交分解得到两个分量为c_x和c_y。超声波换能器发射的一路波束入射角为α，载体倾斜的角度为θ，则运动状态下，风向与超声波换能器发射波束的夹角为α₁，风向与反射波束的夹角为α₂，则

α₁＝α+θ

α₂＝α-θ

则顺风时，真风速

V_x＝(c_x+V_x)·cosα₁

V_y＝(c_y+V_y)·cosα₂

利用正交合成的方法，将V_x’和V_y’合成为V'，即得：

图11为气温测量子系统硬件电路设计图，如图11所示，微型自动海洋气象观测站的气温测量子系统中的核心元器件是负温度系数(Negative temperature coefficient，NTC)热敏电阻。主要电路包括由差动放大器电路模块和运算放大器电路模块共同构成的精密电流源电路模块，NTC型热敏电阻，定值电阻，信号放大电路模块，A/D采样电路模块和微控制器电路模块等。具 体工作原理及测量方法如下：

(1)测得NTC热敏电阻随温度变化的电压输出，即NTC热敏电阻两端的电压差值为

ΔV＝I·R

其中，ΔV为NTC热敏电阻随温度变化的电压值，I为精密电流源提供的输出电流值，R为NTC热敏电阻值。

(2)得到经信号放大电路模块放大的电压值为

V＝ΔV·A＝I·R·A

其中，V为ΔV经运算放大器放大后的电压值，A为运算放大器的放大倍数。

(3)设计A/D采样电路模块的参考电压为

V_ref＝I·R₀

其中，V_ref为选用的A/D采样芯片参考电压值，R₀为高精度定值电阻值。

(4)测得经A/D采样芯片转换后得到的数值为

D_out＝A_in/V_ref·2^N＝V/V_ref·2^N

其中，A_in输入到A/D采样芯片的模拟量值，D_out为经A/D采样芯片转换后输出到微控制器模块的数字量值，N为A/D采样芯片的位数。

(5)联立方程以上四个公式，组成方程组，化简得到，

D_out＝R/R₀·A·2^N

(6)根据简化后的公式和NTC热敏电阻值随温度变化的对应关系，即可求得对应的温度值T。

(7)利用空气中的超声波传播速度c和温度T的关系式：c＝c₀+0.0607T求得经过温度补偿后的超声波传播速度c，其中，c₀为0℃时超声波在空气中的传播速度331.4m/s，T为实际温度，单位为℃。

图12为气压测量子系统硬件电路设计图，如图12所示，微型自动海洋气象观测站的气压测量子系统中的核心元器件是BOSCH公司的BMP280微型气压传感器，它属于压阻式压力传感器，尺寸小，功耗低，精度高，线性度良好，可以长期稳定地工作。其外形尺寸为长2.5mm*宽2.0mm*高0.95mm，气压测量范围为300-1100hPa，工作温度为-40-+85℃，工作电压为1.2-3.6V，平均测量时间为5.5毫秒，绝对测量精度为(在压力值950-1050hPa范围内，温度值0-+40℃条件下)±1hPa，相对测量误差为(在压力值950-1050hPa范围内，温度值25℃条件下)±0.12hPa，温度测量分辨率为0.01℃，压力测量分辨率为0.01hPa(<10cm)，平均电流损耗为2.74μA，在睡眠模式下的平均电流损耗为0.1μA，温度系数补偿为(+25-+40℃,在900hPa条件下)±0.12hPa，通信为IIC接口或串行外设接口(Serial PeripheralInterface，SPI)。

气压测量子系统采用的是4线的SPI通信方式，图12中各标号说明如下：

(1)CSB(Chip select)：芯片选择或使能线121；

(2)SDI(Serial data input)：串行数据输入线122；

(3)SDO(Serial data output)：串行数据输出线123；

(4)SCK(Serial clock input)：串行时钟输入线124。

图13为相对湿度测量子系统硬件电路设计图，如图13所示，微型自动海洋气象观测站的相对测量子系统中的核心元器件是Sensirion公司的相对湿度传感器芯片SHT15，它是一款具有全面校准、低功耗等特点，且能长期稳定可靠运行的高精度数字式相对湿度测量传感器芯片。它相对湿度测量范围为0％-100％RH，测量精度为2％，工作电压为3.3V，工作温度范围为-40-+123.8℃，响应时间为8s。

相对湿度测量子系统采用的是IIC通信方式，图13中各标号说明如下：

(1)DATA(Serial Data)：串行数据传输线131，双向；

(2)SCK(Serial Clock)：串行时钟控制线132，单向。

本发明提供的超声波测风系统及方法利用超声波换能器接收到的超声波回波信号频率不同来测量相应的风速，无需准确判断超声波回波信号的到达时刻，可以缩短收发超声波换能器之间的距离，实现了整个测风系统的小型化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超声波测风系统，其特征在于，所述系统包括：

超声波换能器探头，所述超声波换能器探头用于发射和接收具有设定波瓣宽度的脉冲信号，所述超声波换能器探头的数量为多个，所述超声波换能器探头两两相对设置，所述两两相对设置的两个超声波换能器探头为一组，将两两相对的超声波换能器之间的连线记为连接线，所述系统中至少有两组的连接线相互垂直，所述每组中的两个超声波换能器探头之间相互发送和接收超声波信号；

电路板，所述超声波换能器探头固定在所述电路板上，所述电路板以嵌入的方式安装在换能器安装板上；

反射面，所述反射面与所述超声波探头相对设置，所述每一组中的超声波换能器探头发出的超声波经过所述反射面的反射后均能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收，而且，只能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超声波换能器探头的几何中心位于同一圆周上，所述超声波换能器探头的数量为四个，分别为第一超声波换能器探头、第二超声波换能器探头、第三超声波换能器探头和第四超声波换能器探头，所述第一超声波换能器探头与所述第二超声波换能器探头相对设置，所述第三超声波换能器探头与所述第四超声波换能器探头相对设置，第一连接线与第二连接线相垂直，所述第一连接线为所述第一超声波换能器探头与所述第二超声波换能器探头之间的连线，所述第二连接线为所述第三超声波换能器探头与所述第四超声波换能器探头之间的连线。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

支撑铜柱，所述支撑铜柱位于所述底座与所述换能器安装板之间，用于固定所述反射面，支撑换能器安装板；

顶盖，所述顶盖与所述换能器安装板之间设置有第一传感器安装板，所述第一传感器安装板上安装有GPS模块和姿态校正模块；

外部接线端，所述接线端包括电源线、地线、指令发送端和数据接收端，所述电源线和地线用于与外部电源相连接，所述指令发送端和所述数据接收端用于与用户应用控制平台相连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括底座，所述底座的上表面设置有第二传感器安装板，所述第二传感器安装板上安装的传感器包括温度传感器、湿度传感器和气压传感器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电路板上设置有控制系统，所述控制系统包括微控制器模块、工作时序控制模块、超声波回波信号处理模块和信号判断模块，所述微控制器模块分别与所述工作时序控制模块、所述信号判断模块相连接，所述工作时序控制模块与所述超声波回波信号处理模块相连接，所述超声波回波信号处理模块与所述信号判断模块相连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述工作时序控制模块包括超声波信号发射驱动电路子模块、超声波回波信号接收通道开关控制电路子模块、超声波换能器，所述工作时序控制模块用于控制超声波换能器的工作状态和工作时序。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述超声波回波信号处理模块包括滤波放大电路子模块，所述滤波放大电路子模块由四个一阶带通滤波放大器耦合连接而成，所述超声波回波信号处理模块用于对超声波信号进行放大、滤波处理。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述信号判断模块包括比较电路子模块，所述信号判断模块用于将滤波放大后的超声波回波信号通过比较器进行数据转换并送至微控制器。

9.一种超声波测风方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1所述超声波测风系统，所述方法包括：

对于所述系统中相互垂直的两组超声波换能器探头，获取每个所述超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波信号的次数，得到接收频率；

根据所述接收频率计算风速。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述接收频率计算风速与风向，具体包括：

对于所述两组超声波换能器探头中的一组超声波换能探头，根据公式计算风速V_x，其中，c为超声波的传播速度，α为发射的超声波射到所述系统中的反射板的入射角度，f_s为无风时超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波的次数，f_r为测风速时所述超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波的次数，V_x为所测风速沿所述一组超声波换能器探头中的超声波发射端到超声波接收端方向的风速分量；

对于所述两组超声波换能器探头中的另一组超声波换能探头，根据公式计算风速V_y，其中，V_y为所测风速沿所述一组超声波换能器探头中的超声波发射端到超声波接收端方向的风速分量；

将所述风速和所述风速根据公式进行矢量合成，得到所述所测风速。