CN107976721A - 一种临近空间实时原位测风的装置及其方法 - Google Patents
一种临近空间实时原位测风的装置及其方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种临近空间实时原位测风的装置和方法，该装置包括：扬声器，用于声波发射信号的发射；声传感器，用于声波发射信号的接收；收发控制子装置，用于声波发射信号的产生、放大以及实现接收信号的数字化；数据处理子装置，用于实现大气风场的反演；和环境测量传感器，获取当前环境温度、湿度和气压数据，用于计算大气环境中的声速；该装置将声波测风技术应用于临近空间高度大气风场的测量，通过测量声波信号从扬声器到达声传感器的传播延迟时间即可获得风速信息；该装置不仅容易实现，而且稳定可靠，测风精度高，具备从地面到平流层高度大的空间覆盖范围的风场探测能力。
Description
技术领域
本发明属于大气风场原位探测的技术领域，具体涉及一种临近空间实时原位测风的装置及其方法。
背景技术
目前，地面原位测风方式众多，主要包括：风杯风向标、风速管、热线式、超声波、压阻固态式、叶轮式。另外，气球探空仪、下投探空仪和火箭探空仪等临近空间原位测风方式都是将探空气球或者降落伞作为风的示踪物来实现风场测量。但是，这种原位测风方式只能一次性探测大气风场的单个垂直剖面，无法满足大的空间覆盖范围的风场探测需求。另外，目前还没有实时原位测风装置和方法能够在临近空间，特别是平流层高度进行大范围长时连续测风。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的原位测风方式存在上述缺陷，以及满足临近空间大气风场数据的大范围、长时连续、实时的原位探测需求，提供了一种临近空间实时原位测风的装置及其方法，不仅容易实现，而且稳定可靠，测风精度高，具备从地面到平流层高度大的空间覆盖范围的风场探测能力。
为实现上述目的，本发明提供一种临近空间实时原位测风的装置，采用了声波测风技术，能够应用于临近空间高度大气风场的测量，在高空稀薄大气环境中，超声波难以传播，声波可以近距离传播且噪声低，通过测量声波信号从扬声器到达声传感器的传播时间延迟即可获得风速信息。该装置将声波测风技术应用于高空稀薄大气风场的测量，具有测风原理简单、测风量程广、测风精度高、响应时间快、无需启动风速、无机械磨损等优点。
本发明提供的一种临近空间实时原位测风的装置，其包括：
扬声器，用于声波发射信号的发射；
声传感器，用于声波发射信号的接收；
收发控制子装置，用于声波发射信号的产生、放大以及实现接收信号的数字化；获得数字信号；
数据处理子装置，用于实现大气风场的反演；
环境测量传感器，获取当前环境温度、湿度和气压数据，用于计算大气环境下的大气的声速C。
所述数据处理子装置对一维大气风场速度反演的具体过程如下：
当风速为V′的风沿着所述扬声器吹向所述声传感器时，所述数据处理子装置接收所述数字信号，得到声波传播时间延迟t，
再结合当前环境下的声速C以及声传感器和扬声器之间的距离L，由下式得到风速V′。
优选地，采用两对所述声传感器和所述扬声器，即在测量一维大气风场时采用的一对所述声传感器和所述扬声器的基础上，再增加一对所述声传感器和所述扬声器；所述两对所述声传感器和所述扬声器为正交方向，可以实现二维大气风场的测量；
根据公式(2)和公式(3)，得到大气风场分别在x方向和y方向上的两个正交方向的投影速度Vx和Vy；
其中，Vx为风速在x方向的投影速度；Lx为x方向上的扬声器和声传感器之间的距离；C为当前环境下大气中的声速；tx为x方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
其中，Vy为风速在y方向的投影速度；Ly为y方向上的扬声器和声传感器之间的距离；ty为y方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
根据公式(4)，得到二维大气风场的速度：
其中，VW为二维大气风场的速度。
若y方向沿正北方向，则二维大气风场的风向由公式(5)确定；
其中φ为二维大气风场的风向。
优选地，采用三对所述声传感器和所述扬声器，其中两对呈正交方向的扬声器和声传感器水平放置，再在垂直方向放置一对扬声器和声传感器，利用二维风场的测量方法得到水平风场的速度VW和风向φ，由垂直放置的声传感器和扬声器，利用一维风场的测量方法得到垂直方向的风速V′，根据公式(6)，得到三维大气风场的速度VT；
基于上述的临近空间实时原位测风的装置，本发明提供了一种临近空间实时原位测风的方法，具体包括：
步骤1)收发控制子装置产生声波发射信号，所述声波发射信号放大后传输至所述扬声器，所述扬声器发射所述声波发射信号；
步骤2)所述声传感器接收所述声波发射信号，并将所述声波发射信号转换为电信号后，再通过所述收发控制子装置将其转化为数字信号，然后将数字信号传输至所述数据处理子装置；
步骤3)所述数据处理子装置接收所述数字信号，得到声波传播时间延迟t，再结合大气声速C以及声传感器和扬声器之间的距离L，计算得出扬声器—声传感器方向上的一维风速V′；
所述步骤3)具体包括：
步骤301)当风速为V′的风沿着所述扬声器吹向所述声传感器时，所述数据处理子装置接收所述数字信号，并将接收到的数字信号进行滤波降噪处理后，再将其与所述声波发射信号进行互相关处理，得到声波传播时间延迟t；
步骤302)数据处理子装置根据环境测量传感器获取的温度、湿度和气压数据利用下式计算出当前环境下的声速C；
其中，R*为摩尔气体常数，M为空气的摩尔质量，γ为比热容比，T为开氏温度；
步骤303)数据处理子装置将得到的声波传播时间延迟t、大气声速C和扬声器-声传感器之间的距离L根据公式(1)得到扬声器—声传感器方向上的风速。
该方法采用两对正交放置的扬声器—声传感器，两对所述声传感器和所述扬声器为正交方向，实现二维大气风场的测量；
根据公式(2)和公式(3)，得到大气风场分别在x方向和y方向上的两个正交方向的投影速度Vx和Vy；
其中，Vx为风速在x方向的投影速度；Lx为x方向上的扬声器和声传感器之间的距离；C为当前环境下大气中的声速；tx为x方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
其中，Vy为风速在y方向的投影速度；Ly为y方向上的扬声器和声传感器之间的距离；ty为y方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
根据公式(4)，得到二维大气风场的速度：
其中，VW为二维大气风场的速度。
若y方向沿正北方向，则二维大气风场的风向由公式(5)确定；
其中，φ为二维大气风场的风向。
该方法采用三对扬声器—声传感器，在上述的水平方向正交放置的两对扬声器和声传感器的基础上增加一对垂直放置的扬声器—声传感器，数据处理子装置利用水平方向的两对扬声器和声传感器根据二维风场的测量方法得到水平风场的速度VW和风向φ，由垂直放置的声传感器和扬声器，利用一维风场的测量方法得到垂直方向的风速V′，根据公式(6)，得到三维大气风场的速度VT；
本发明的优点在于：
本发明采用了声波测风技术，能够在低温低气压的高空大气环境下进行大气风场的实时测量，与其它机械式测风技术相比，不需要启动风速，无机械磨损；测风精度高；响应时间快，数据更新率高；容易实现，重量轻，成本低。
附图说明
图1是声波测风的基本原理的示意图；
图2是本发明的一种临近空间实时原位测风的装置的结构示意图；
图3是本发明的一种临近空间实时原位测风的方法流程图；
图4是本发明的一种临近空间实时原位测风的装置实现二维风场测量的声传感器和扬声器正交放置结构示意图；
图5是本发明的一种临近空间实时原位测风装置的数据处理子装置进行数据处理的流程图。
具体实施方式
利用超声波进行测风是一项比较成熟的技术，但由于超声波频率较高，在高空稀薄大气环境下其衰减极大，几乎无法传播，因此该技术不能应用于高空。而频率较低的声波信号衰减则相对小很多，能够近距离的传输，所以可以采用声波测风技术实现地面到平流层高度的大气风场原位探测。
如图1所示，声波测风的基本原理具体如下：
扬声器和声传感器相对并固定放置，且二者在同一水平线上。其中，二者距离为L，声波信号从扬声器传播到达声传感器的速度，等于大气中的声速加上风速在传播方向上的投影速度，因此通过获取声波传播速度和大气声速，就可以获得风速。大气中的声速由当前环境下的温度、湿度和气压数据根据下式计算得到：
其中，R*为摩尔气体常数，M为空气的摩尔质量，γ为比热容比，T为开氏温度。
声波传播速度可以通过声波信号从扬声器到声传感器的传播延迟时间t来求得。假设风沿扬声器吹向声传感器，大小为V′，则声波信号传播延迟时间t为：
所以风速V′为：
其中，如果V′值为正，则代表风向与声波信号传播方向一致；如果V′值为负，则代表与声波信号传播方向相反。
可见，利用声波测风技术可以很容易地实现大气风场的测量。
如图2所示，本发明提供了一种临近空间实时原位测风的装置，其包括：
声传感器，用于声波发射信号的接收；
扬声器，用于声波发射信号的发射；
收发控制子装置，用于声波发射信号的产生、放大以及实现接收信号的数字化；获得数字信号；
数据处理子装置，用于实现大气风场的反演；
环境测量传感器，获取当前环境温度、湿度和气压数据，用于获得当前环境下的大气中的声速C。
所述数据处理子装置对一维大气风场速度反演的具体过程如下：
当风速为V′的风沿着所述扬声器吹向所述声传感器时，所述数据处理子装置接收所述数字信号，得到声波传播时间延迟t，再结合当前环境下的声速C以及声传感器和扬声器之间的距离L，由公式(1)得到风速V′。
优选地，如图4所示，采用两对所述声传感器和所述扬声器，即在测量一维大气风场时采用的一对所述声传感器和所述扬声器的基础上，再增加一对所述声传感器和所述扬声器；所述两对所述声传感器和所述扬声器为正交方向，可以实现二维大气风场的测量；
根据公式(2)和公式(3)，得到大气风场分别在x方向和y方向上的两个正交方向的投影速度Vx和Vy；
其中，Vx为风速在x方向的投影速度；Lx为x方向上的扬声器和声传感器之间的距离；C为当前环境下大气中的声速；tx为x方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
其中，Vy为风速在y方向的投影速度；Ly为y方向上的扬声器和声传感器之间的距离；ty为y方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
根据公式(4)，得到二维大气风场的速度：
其中，VW为二维大气风场的速度。
若y方向沿正北方向，则二维大气风场的风向由公式(5)确定；
其中φ为二维大气风场的风向。
优选地，
采用三对所述声传感器和所述扬声器，其中两对呈正交方向的扬声器和声传感器水平放置，再在垂直方向放置一对扬声器和声传感器，利用二维风场的测量方法得到水平风场的速度VW和风向φ，由垂直放置的声传感器和扬声器，利用一维风场的测量方法得到垂直方向的风速V′，根据公式(6)，得到三维大气风场的速度VT；
如图3所示，基于上述的临近空间实时原位测风的装置，本发明提供了一种临近空间实时原位测风的方法，具体包括：
步骤1)收发控制子装置产生声波发射信号，所述声波发射信号放大后传输至所述扬声器，然后将所述声波发射信号输出；
步骤2)所述声传感器接收所述声波发射信号，并将所述声波发射信号转换为电信号后，再通过所述收发控制子装置将其转化为数字信号，然后将数字信号传输至所述数据处理子装置；
步骤3)所述数据处理子装置接收所述数字信号，得到声波传播时间延迟t，再结合声速C以及声传感器和扬声器之间的距离L，根据公式(1)得到扬声器—声传感器方向上的一维风速V′：
如图5所示，所述步骤3)具体包括：
步骤301)当风速为V′的风沿着所述扬声器吹向所述声传感器时，所述数据处理子装置接收所述数字信号，并将接收到的数字信号进行滤波降噪处理后，再将其与所述声波发射信号进行互相关处理，得到声波传播时间延迟t；
步骤302)数据处理子装置根据环境测量传感器获取的温度、湿度和气压数据利用公式(1)计算出当前环境下的声速C；
步骤303)数据处理子装置将得到的声波传播时间延迟t、大气声速C和扬声器-声传感器之间的距离L根据公式(1)得到扬声器—声传感器方向上的风速。
该方法采用两对正交放置的扬声器—声传感器，两对所述声传感器和所述扬声器为正交方向，实现二维大气风场的测量；
根据公式(2)和公式(3)，得到大气风场分别在x方向和y方向上的两个正交方向的投影速度Vx和Vy；
其中，Vx为风速在x方向的投影速度；Lx为x方向上的扬声器和声传感器之间的距离；C为当前环境下大气中的声速；tx为x方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
其中，Vy为风速在y方向的投影速度；Ly为y方向上的扬声器和声传感器之间的距离；ty为y方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
根据公式(4)，得到二维大气风场的速度：
其中，VW为二维大气风场的速度。
若y方向沿正北方向，则二维大气风场的风向由公式(5)确定；
其中φ为二维大气风场的风向。
优选地，
其中两对呈正交方向的扬声器和声传感器水平放置，再在垂直方向放置一对扬声器和声传感器，利用二维风场的测量方法得到水平风场的速度VW和风向φ，由垂直放置的声传感器和扬声器，利用一维风场的测量方法得到垂直方向的风速V′，根据公式(6)，得到三维大气风场的速度VT；
本发明的临近空间实时原位测风装置可以搭载上在临近空间浮空平台或其它飞行器上实现对高空大气风场的探测。测风装置根据上述测风方法,反演出大气风场相对于搭载平台的速度矢量利用搭载平台的导航数据，可以得到搭载平台相对于地面的速度矢量大气风场矢量与和的关系如下式：
从而实现大气风场的测量，由测风装置的数据处理子装置输出风速风向及误差数据。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种临近空间实时原位测风的装置，其特征在于，其包括：
扬声器，用于声波发射信号的发射；
声传感器，用于声波发射信号的接收；
收发控制子装置，用于声波发射信号的产生、放大以及实现接收信号的数字化；
数据处理子装置，用于实现大气风场的反演；
环境测量传感器，用于获取当前环境温度、湿度和气压数据，获得当前环境下的大气中的声速C。
2.根据权利要求1所述的临近空间实时原位测风的装置，其特征在于，所述数据处理子装置接收数字信号，得到声波传播时间延迟t，再结合大气声速C以及声传感器和扬声器之间的距离L，根据公式(1)得到扬声器—声传感器方向上的一维风速V′：
<mrow>
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<mi>V</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
3.根据权利要求2所述的临近空间实时原位测风的装置，其特征在于，采用两对所述声传感器和所述扬声器，实现二维大气风场的测量；
根据公式(2)和公式(3)，得到大气风场分别在x方向和y方向上的两个正交方向的投影速度Vx和Vy；
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mi>x</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Vx为风速在x方向的投影速度；Lx为x方向上的扬声器和声传感器之间的距离；C为当前环境下大气中的声速；tx为x方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
<mrow>
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<mi>V</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mi>C</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Vy为风速在y方向的投影速度；Ly为y方向上的扬声器和声传感器之间的距离；ty为y方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
根据公式(4)，得到二维大气风场的速度：
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>W</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，VW为二维大气风场的速度；
若y方向沿正北方向，则二维大气风场的风向由公式(5)确定；
其中，φ为二维大气风场的风向。
4.根据权利要求3所述的临近空间实时原位测风的装置，其特征在于，采用三对所述声传感器和所述扬声器，其中两对呈正交方向的扬声器和声传感器水平放置，在垂直方向上放置一对扬声器和声传感器，利用二维风场的测量方法得到水平风场的速度VW和风向φ，由垂直放置的声传感器和扬声器，利用一维风场的测量方法得到垂直方向的风速V′，根据公式(6)，得到三维大气风场的速度VT；
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>T</mi>
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<mo>=</mo>
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<mn>2</mn>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
5.一种基于权利要求1-4任一临近空间实时原位测风装置的测风方法，该方法采用一对正交放置的扬声器—声传感器，获得扬声器—声传感器方向上的一维风速V′具体包括：
步骤1)收发控制子装置产生声波发射信号，所述声波发射信号放大后传输至所述扬声器，所述扬声器发射所述声波发射信号；
步骤2)所述声传感器接收所述声波发射信号，并将所述声波发射信号转换为电信号后，再通过所述收发控制子装置将其转化为数字信号，然后将数字信号传输至所述数据处理子装置；
步骤3)所述数据处理子装置接收所述数字信号，得到声波传播时间延迟t，再结合大气声速C以及声传感器和扬声器之间的距离L，计算得出扬声器—声传感器方向上的一维风速V′。
6.根据权利要求5所述的测风方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：
步骤301)当风速为V′的风沿着所述扬声器吹向所述声传感器时，所述数据处理子装置接收所述数字信号，并将接收到的数字信号进行滤波降噪处理后，再将其与所述声波发射信号进行互相关处理，得到声波传播时间延迟t；
步骤302)数据处理子装置根据环境测量传感器获取的温度、湿度和气压数据利用下式计算出当前环境下的大气中的声速C；
<mrow>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
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<mrow>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，R*为摩尔气体常数，M为空气的摩尔质量，γ为比热容比，T为开氏温度；
步骤303)数据处理子装置将得到的声波传播时间延迟t、大气声速C和扬声器-声传感器之间的距离L根据公式(1)得到扬声器—声传感器方向上的一维风速V′。
7.根据权利要求5所述的测风方法，其特征在于，该方法采用两对正交放置的扬声器—声传感器，两对所述声传感器和所述扬声器为正交方向，实现二维大气风场的测量；
根据公式(2)和公式(3)，得到大气风场分别在x方向和y方向上的两个正交方向的投影速度Vx和Vy；
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>L</mi>
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<mi>x</mi>
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<mi>C</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Vx为风速在x方向的投影速度；Lx为x方向上的扬声器和声传感器之间的距离；C为当前环境下大气中的声速；tx为x方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>L</mi>
<mi>y</mi>
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<mi>t</mi>
<mi>y</mi>
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<mi>C</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Vy为风速在y方向的投影速度；Ly为y方向上的扬声器和声传感器之间的距离；ty为y方向上的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；
根据公式(4)，得到二维大气风场的速度：
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>W</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<msup>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
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<mi>V</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，VW为二维大气风场的速度；
若y方向沿正北方向，则二维大气风场的风向由公式(5)确定；
其中φ为二维大气风场的风向。
8.根据权利要求5所述的测风方法，其特征在于，该方法采用三对扬声器—声传感器，其中两对呈正交方向的扬声器和声传感器水平放置，再在垂直方向放置一对扬声器和声传感器，利用二维风场的测量方法得到水平风场的速度VW和风向φ，由垂直放置的声传感器和扬声器，利用一维风场的测量方法得到垂直方向的风速V′，根据公式(6)，得到三维大气风场的速度VT；
<mrow>
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<mi>V</mi>
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<mo>=</mo>
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