CN109116363B - 一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置 - Google Patents

一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，通过主控板接收上位机发送的测量命令，再开启一个周期的三维风速风向测量；主控板测量温湿度信息进行声速校准，校准完成后，主控板产生方波驱动信号给发射接收板控制发射激励信号，激励信号激发超声波换能器发射超声波在空气中传播，携带上风速信息后到达接收换能器产生回波信号，回波信号经过回波调理电路调理后传送至主控板，由主控板进行ADC采集量化后提取相应的超声波在空气中的传输时间信息，从而分别计算出四个方向上的风速分量；最后借助环上的三对换能器在三个方向上的风速分量求出三维空间中的风速和风向，再用圆心上的一对换能器所测得的风速分量进行检验测量结果。

Description

一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置
技术领域
本发明属于测风技术领域，更为具体地讲，涉及一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置。
背景技术
目前各行业所使用的风速仪种类较多，其工作原理和测量性能也不尽相同，其中较常使用的是机械式风速仪，比如常用的风杯式和螺旋桨式风速仪。传统的机械式风速风向仪具有一定优点，比如:成本低、历史悠久、使用普遍、有完善的理论和测量数据。但由于传统机械式风速仪存在转动部件，容易产生磨损，同时恶劣天气和沙尘、盐雾也会对其造成腐蚀。由于摩擦的存在，机械式风速风向仪还存在启动风速，即低于启动风速的微风将不能被测量。另外因风速的平均方法不同(标量平均和矢量平均)而使其还存在“过高效应”，造成测量精度不高，使用领域受到制约。
随着电子产业的飞速发展，出现了很多新型的测风设备，如激光式风速仪、超声波风速仪、集成度较高的MEMS风速仪、热线式风速仪、多谱勒风速仪等。这些测风仪总体来讲体积较小，没有机械转动部件，使用寿命长，测量精度相对较高，并且在使用过程中不需要对其进行专门的维护，正在逐步取代传统的机械式风速仪。超声波风速仪是诸多测风仪中各项性能较为突出的一种，不仅结构简单、坚固耐用，而且能够达到较高的测量精度，但对相应的处理电路有较高的运算和处理能力要求。
超声波是指频率大于20kHz的声波信号，在介质中以机械波的形式传播。由于超声波在空气中传播时速度和频率等参数会携带空气流动的特性，可被用来测量风速。超声波测风速仪的工作原理是发射电路产生高压脉冲激励声波换能器发射超声波信号，在接收端利用基于压电效应的超声波传感器将其转化为电信号，对电信号进行处理后测量其时间和频率信息即可提取出风速信息。与传统机械式风速仪相对比，其优势主要体现在如下几点：
1)、超声波风速仪属于非接触测量，对被测风场影响极小。
2)、不受惰性和机械摩擦阻力的影响，利于测量低风速。
3)、不存在转动惯性，测量结果随风速改变会更快。
4)、不受机械磨损影响，便于维护，恶劣环境下也能长期稳定工作。
可以看出超声波风速仪的精度、测量范围和响应速度都优于机械式风速仪。常见的超声波测风速方法及其适用范围如表1所示；
表1是常用超声波测风速法优缺点对比；
Figure BDA0001847122050000021
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，通过测量超声波在空气中传播时间，从而精确的测量风速风向。
为实现上述发明目的，本发明一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，其特征在于，包括：外结构和硬件电路两部分；
所述的外结构从下到上包括支撑架、电路盒、主轴、左右环形支架和换能器芯棒；支撑架用于将整个外结构通过螺栓固定在所需要安装的位置；电路盒直接固定在支撑架的顶部，硬件电路密闭安装在电路盒内，电路盒上预留有外部接口位置，硬件电路通过螺纹柱固定；主轴穿过电路盒上部预留的孔，将左右环型支架对称的固定在两侧；左右环型支架上分别留有四个螺纹孔，用于安装换能器芯棒，换能器芯棒为中空，用于安装换能器；
所述的硬件电路包括主控板、发射接收板、换能器阵列以及温湿度传感器；
主控板，包括DSP、FPGA、RS485收发器、数模转换器以及模数转换器；上位机通过串口给三维非正交超声波阵列测风装置发送测风命令，通过RS485收发器接收到该命令，并转发至DSP；DSP对测风命令进行解析，解析出包括采集延时、驱动方波个数和回波增益倍数的测风命令信息，然后，DSP控制温湿度传感器采集温湿度信息以校正当前环境下的实际风速，待校准完毕后，由DSP控制开启一个完整测风周期的测风流程；
换能器阵列，由八个结构相同的换能器构成，八个换能器分别与两个通道选择模块的通道连接，且一一对应，左右环型支架上对应螺纹孔处的换能器作为一组，轮换作为发射换能器和接收换能器；
DSP控制开启一个完整测风周期的测风流程包含四个方向风速测量，每个方向需要测量顺风以及逆风超声波传播时间，总共要进行八次超声波传播时间测量，其中，单次超声波传播时间测量具体过程为：DSP将测风命令信息和当前的测量通道码通过数据总线发给FPGA，FPGA产生对应个数的驱动方波信号、回波增益倍数以及通道选通信号，并发送至发射接收板，同时，开启采集延时的计数，等待电压回波信号到达时通知模数转换器进行采集；
发射接收板，包括两个通道选择模块、发射驱动电路以及回波调理电路；所述的回波调理电路包括信号接收模块、信号放大器、带通滤波模块以及差分驱动电路；
发射接收板接收到FPGA发送的方波驱动信号和通道选通信号后，第一通道选择模块根据通道选通信号选择对应通道转发方波驱动信号至发射驱动电路，发射驱动电路产生驱动信号发送至被第一通道选择模块选通的换能器，该换能器发射超声波信号，并由与之相对安装的换能器接收到该超声波信号，并产生微弱的电压回波信号，第二通道选择模块再根据对应的通道选通信号选通产生该电压回波信号的换能器，并将电压回波信号转发至回波调理电路；
在回波调理电路中，通过信号接收模块接收电压回波信号，再由信号放大器进行信号放大，使输入的电压回波信号能够满足模数转换器的输入范围，通过带通滤波模块滤波后输入至差分驱动电路，将信号转换为差分电压回波信号后输入至模数转换器；
当差分电压回波信号即将到达模数转换器时，FPGA中断采集延时计数，并发出采集使能的控制信号，通知模数转换器开始采集差分电压回波信号，将采集得到的电压回波数据暂存在FPGA的双端口RAM模块中，完成一个通道的数据采集，然后，FPGA通过IO口发出一个中断信号通知DSP，DSP通过数据总线以及地址总线取出FPGA中存储的电压回波数据，暂存到DSP内部的存储器中，待电压回波数据存储完毕后，DSP开始下一个通道的采集，然后重复上述过程，直到八个通道的电压回波数据全部采集完毕后结束，然后DSP根据电压回波数据分别解算出每个通道的超声波传播时间，再计算出四个方向上的风速分量，并将位于环上的三对芯棒方向的风速分量进行三维合成，得到三维空间中的三维风速风向，再结合换能器在空间四个方位的位置，由三维风速风向求出第四个方向上风速分量的理论值，并与实际测得的结果进行比较，如果差距较大，则代表测量有误，舍弃本次测量结果；如果差距在允许误差范围内，则由数模转换器将合成后的三维风速风向的数字信号转换为电流信号并输出，从而完成整个测风周期的测风流程。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，通过主控板接收上位机发送的测量命令，再开启一个周期的三维风速风向测量；主控板测量温湿度信息进行声速校准，校准完成后，主控板产生方波驱动信号给发射接收板控制其发射激励信号，激励信号激发超声波换能器发射超声波在空气中传播，携带上风速信息后到达接收换能器产生回波信号，回波信号经过回波调理电路调理后传送至主控板，由主控板进行ADC采集量化后提取相应的超声波在空气中的传输时间信息，从而分别计算出四个方向上的风速分量；最后借助环上的三对换能器在三个方向上的风速分量求出三维空间中的风速和风向，再用圆心上的一对换能器所测得的风速分量进行检验测量结果。
同时，本发明一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置还具有以下有益效果：
(1)、换能器安装在带螺纹的换能器芯棒上，通过调节换能器芯棒在左右圆环的相对位置便能够调节换能器之间的距离。相对于传统的换能器距离固定安装方式，本发明能够适应不同的测量场合；
(2)、使用了20M采样率的模数转换器对回波信号进行采集，有效提高了回波信号采样精度，将超声波的传播时间测量分辨率提高到了50ns；
(3)、使用两级程控增益放大器配合进行回波信号的放大，使得放大后的回波信号能够更好地满足模数转换器的输入范围，提高采样精度；
(4)、相对于传统超声波测风仪器采用的单片机作为主控，本发明使用了DSP+FPGA作为主控。利用FPGA的精确计时能力，实现了测量流程的准确控制；利用DSP强大的数字信号处理能力，能够快速的从回波数据中提取出超声波传播数据，从而提高了超声波测风的速度以及精度。
附图说明
图1是本发明一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置原理图；
图2是外结构的一种具体实施方式结构图；
图3是电路盒的一种具体实施方式结构图；
图4是硬件电路的安装示意图；
图5是左右环形支架的一种具体实施方式结构图；
图6是换能器芯棒的一种具体实施方式结构图；
图7是FPGA的原理图；
图8是回波调理电路的原理图；
图9是信号接收模块的电路原理图；
图10是带通滤波模块的电路原理图；
图11是差分驱动电路的电路原理图；
图12是
Figure BDA0001847122050000061
和
Figure BDA0001847122050000062
在平面的投影图；
图13是
Figure BDA0001847122050000063
和
Figure BDA0001847122050000064
在平面的投影图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置原理图。
在本实施例中，本发明一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，主要包括：外结构和硬件电路两部分；
如图2所示，外结构从下到上包括支撑架1、电路盒2、主轴3、左右环形支架4和换能器芯棒5；支撑架1用于将整个外结构通过螺栓固定在所需要安装的位置；电路盒2直接固定在支撑架1的顶部，如图3所示，硬件电路密闭安装在电路盒2内，电路盒2上预留有外部接口位置，如图4所示，硬件电路通过螺纹柱固定；主轴3穿过电路盒2上部预留的孔，将左右环型支架4对称的固定在两侧；左右环型支架4上分别留有四个螺纹孔，用于安装换能器芯棒5，换能器芯棒5为中空，用于安装换能器；
其中，如图5所示，左右环形支架上的四个螺纹孔，一个位于圆环的圆心处，另外三个位于环上，且构成以圆心为几何中心的等边三角形，环上的三螺纹孔安装换能器芯棒后，三对换能器芯棒的连线两两之间夹角相等且并不为直角。在本实施例中，如图2所示，左右环形支架上有八根换能器芯棒5，同一螺纹孔处为一对，共分为四对，其中三对换能器芯棒5-1～5-6相互成
Figure BDA0001847122050000065
角。利用这三对换能器芯棒5-1～5-6上的换能器在三个方向上的风速分量就能求出三维空间中的风速和风向。另外圆心上的那一对换能器芯棒5-7、5-8上的换能器所测得的风速分量用于检验。
换能器芯棒的外表面有一组组螺纹，用于调节换能器芯棒和左右环形支架的相对位置，从而能改变换能器之间的距离。如图6所示，每个有螺纹的地方代表不同的传感器安装距离，安装时将螺纹与环形支架的螺纹孔拧上，就固定住了换能器芯棒的位置和传播距离，传播距离档位分为150mm、200mm、300mm、400mm、500mm、600mm，在调节距离时仅需转动芯棒至相应的螺纹处即可。
如图1所示，硬件电路包括主控板1、发射接收板2、换能器阵列3以及温湿度传感器4；
主控板1，包括DSP1-1、FPGA1-2、RS485收发器1-4、数模转换器1-3以及模数转换器1-5；在本实施例中，DSP芯片采用的是TI公司的TMS320F2812；FPGA芯片采用的是Xilinx公司的Spartan-7系列XC7S25芯片。如图7所示，FPGA内部共包括XINTF总线控制模块、测量控制模块、双口RAM模块、ADC控制模块。其中，XINTF总线控制模块从DSP芯片的XINTF口读取或者写入相应数据，双口RAM模块则用于缓存超声波回波波形数据，测量控制模块与ADC控制模块共同完成整个信号采集流程的控制。
上位机通过串口给三维非正交超声波阵列测风装置发送测风命令，通过RS485收发器1-4接收到该命令，并转发至DSP1-1；DSP1-1对测风命令进行解析，解析出包括采集延时、驱动方波个数和回波增益倍数的测风命令信息，然后，DSP1-1控制温湿度传感器4采集温湿度信息以校正当前环境下的实际风速，待校准完毕后，由DSP1-1控制开启一个完整测风周期的测风流程；
换能器阵列3，由八个结构相同的换能器构成，八个换能器分别与两个通道选择模块的通道连接，且一一对应，左右环型支架上对应螺纹孔处的换能器作为一组，轮换作为发射换能器和接收换能器；
DSP1-1控制开启一个完整测风周期的测风流程包含四个方向风速测量，每个方向需要测量顺风以及逆风超声波传播时间，总共要进行八次超声波传播时间测量，其中，单次超声波传播时间测量具体过程为：DSP1-1将测风命令信息和当前的测量通道码通过数据总线发给FPGA1-2，FPGA1-2产生对应个数的驱动方波信号、回波增益倍数以及通道选通信号，并发送至发射接收板2，同时，开启采集延时的计数，等待电压回波信号到达时通知模数转换器1-5进行采集；
发射接收板2，包括第一通道选择模块2-1、第二通道选择模块2-4、发射驱动电路2-3以及回波调理电路2-2；回波调理电路2-2包括信号接收模块、信号放大器、带通滤波模块以及差分驱动电路；
在本实施例中，如图9所示，信号接收模块采用的是TI公司的低噪声、高精度，CMOS输入级的运算放大器LMV841芯片，采用±5V供电，作为放大器其输入偏置电流0.3pA，具有高输入阻抗，且等效输入电压噪声密度为
Figure BDA0001847122050000081
增益带宽为4.5MHz，能够满足电路噪声的要求。
信号放大器采用程控增益放大器，选用Linear Technology公司的LTC6911-1。LTC6911-1是一款低噪声数字可编程程控运算放大器，该运放拥有三位并行数字接口来调节增益，对应有0、1、2、5、10、20、50、100这八种放大倍数。
如图10所示，带通滤波模块使用TI公司的OPA656N搭建的有源滤波器。由于超声波换能器发出的超声波频率为200KHz，因此带通滤波器设计的中心频率为200KHz，带宽16KHz，阶数为2，选取线性相位最好的Bessel滤波器类型。
如图11所示，差分驱动电路采用TI公司的THS4521差分运放来搭建。差分驱动电路把前级电路输出的单端信号转化为差分输出，使其满足ADC的输入要求，同时有效地衰减共模噪声，从而提高电路的共模抑制比。
发射接收板2接收到FPGA1-2发送的方波驱动信号和通道选通信号后，第一通道选择模块2-1根据通道选通信号选择对应通道转发方波驱动信号至发射驱动电路2-3，发射驱动电路2-3产生驱动信号发送至被第一通道选择模块2-1选通的换能器，该换能器发射超声波信号，并由与之对应的换能器接收到该超声波信号，并产生微弱的电压回波信号，第二通道选择模块2-4再根据对应的通道选通信号选通产生该电压回波信号的换能器，并将电压回波信号转发至回波调理电路2-2；
如图8所示，在回波调理电路2-2中，通过信号接收模块接收电压回波信号，再由信号放大器进行信号放大，使输入的电压回波信号能够满足模数转换器的输入范围，通过带通滤波模块滤波后输入至差分驱动电路，将信号转换为差分电压回波信号后输入至模数转换器；
当差分电压回波信号即将到达模数转换器1-5时，FPGA1-2中断采集延时计数，并发出采集使能的控制信号，通知模数转换器1-5开始采集差分电压回波信号，将采集得到的电压回波数据暂存在FPGA1-2的双端口RAM模块中，完成一个通道的数据采集，然后，FPGA1-2通过IO口发出一个中断信号通知DSP1-1，DSP1-1通过数据总线以及地址总线取出FPGA1-2中存储的电压回波数据，暂存到DSP1-1内部的存储器中，待电压回波数据存储完毕后，DSP1-1开始下一个通道的采集，然后重复上述过程，直到八个通道的电压回波数据全部采集完毕后结束；
然后DSP1-1根据电压回波数据分别解算出每个通道的超声波传播时间，再计算出四个方向上的风速分量；
在本实施例中，设发射换能器与接收换能器的间距调为L，该方向上风速分量为V，设当前环境下的声速为V0，顺风下的超声波传播速度为V0+V，逆风下的超声波传输速度为V0-V，设发射声波顺风和逆风到达时间分别为t1和t2，则有如下关系式：
Figure BDA0001847122050000091
将位于环上的三对芯棒方向的风速分量进行三维合成，得到三维空间中的三维风速风向；
在本实施例中，设已测得的四个方向上风速大小为
Figure BDA0001847122050000092
其中，
Figure BDA0001847122050000093
对应换能器5-1与5-2方向的风速的大小，
Figure BDA0001847122050000094
对应换能器5-3与5-4方向的风速的大小，
Figure BDA0001847122050000095
对应换能器5-5与5-6方向的风速的大小，
Figure BDA0001847122050000096
对应换能器5-7与5-8方向的风速的大小。用球坐标表示三维风速矢量
Figure BDA0001847122050000097
Figure BDA0001847122050000098
表示风速的大小，θ为风速与正z轴之间的天顶角，
Figure BDA0001847122050000099
为风速在xy平面上的投影线与正x轴之间的方位角。其中，
Figure BDA00018471220500000910
和
Figure BDA00018471220500000911
是我们所关心的，即我们所求的风速和风向。
以三对换能器芯棒的连线的交点作为原点，xy面平行于水平面，5-7芯棒为y轴正方向，向上为z轴正方向建立坐标系。这样由几何关系易得5-1芯棒的天顶角为
Figure BDA0001847122050000101
方位角为
Figure BDA0001847122050000102
5-3芯棒的天顶角为
Figure BDA0001847122050000103
方位角为
Figure BDA0001847122050000104
5-5芯棒的天顶角为
Figure BDA0001847122050000105
方位角为
Figure BDA0001847122050000106
假定待测风
Figure BDA0001847122050000107
位于第一象限，且
Figure BDA0001847122050000108
则在5-1，5-3，5-5三根芯棒上的投影分别为
Figure BDA0001847122050000109
Figure BDA00018471220500001010
对于
Figure BDA00018471220500001011
和
Figure BDA00018471220500001012
如图12所示，
Figure BDA00018471220500001013
和
Figure BDA00018471220500001014
分别向xy平面做垂线a、b，其在xy平面上的投影为c、d，m为
Figure BDA00018471220500001015
向
Figure BDA00018471220500001016
的垂线，e为m在xy平面上的投影。由几何关系易得方程
Figure BDA00018471220500001017
类似的，对于
Figure BDA00018471220500001018
和
Figure BDA00018471220500001019
如图13所示，
Figure BDA00018471220500001020
和
Figure BDA00018471220500001021
分别向xy平面做垂线a、b，其在xy平面上的投影为c、d，m为
Figure BDA00018471220500001022
向
Figure BDA00018471220500001023
的垂线，e为m在xy平面上的投影。由几何关系易得方程
Figure BDA00018471220500001024
由对称关系，对于
Figure BDA00018471220500001025
和
Figure BDA00018471220500001026
有
Figure BDA00018471220500001027
联立上述三个方程，可得到三维合成的通用公式：
Figure BDA00018471220500001028
Figure BDA00018471220500001029
结合换能器在空间四个方位的位置，由三维风速风向求出第四个方向上风速分量的理论值，并与实际测得的结果进行比较，即与圆心上的那一对换能器所测得的风速分量进行比较，如果差距较大，则代表测量有误，舍弃本次测量结果；如果差距较小，则由数模转换器将合成后的三维风速风向的数字信号转换为电流信号并输出，从而完成整个测风周期的测风流程。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，其特征在于，包括：外结构和硬件电路两部分；
所述的外结构从下到上包括支撑架、电路盒、主轴、左右环形支架和换能器芯棒；支撑架用于将整个外结构通过螺栓固定在所需要安装的位置；电路盒直接固定在支撑架的顶部，硬件电路密闭安装在电路盒内，电路盒上预留有外部接口位置，硬件电路通过螺纹柱固定；主轴穿过电路盒上部预留的孔，将左右环型支架对称的固定在两侧；左右环型支架上分别留有四个螺纹孔，用于安装换能器芯棒，换能器芯棒为中空，用于安装换能器；
所述的硬件电路包括主控板、发射接收板、换能器阵列以及温湿度传感器；
主控板，包括DSP、FPGA、RS485收发器、数模转换器以及模数转换器；上位机通过串口给三维非正交超声波阵列测风装置发送测风命令，通过RS485收发器接收到该命令，并转发至DSP；DSP对测风命令进行解析，解析出包括采集延时、驱动方波个数和回波增益倍数的测风命令信息，然后，DSP控制温湿度传感器采集温湿度信息以校正当前环境下的实际风速，待校准完毕后，由DSP控制开启一个完整测风周期的测风流程；
换能器阵列，由八个结构相同的换能器构成，八个换能器分别与两个通道选择模块的通道连接，且一一对应，左右环型支架上对应螺纹孔处的换能器作为一组，轮换作为发射换能器和接收换能器；
DSP控制开启一个完整测风周期的测风流程包含四个方向风速测量，每个方向需要测量顺风以及逆风超声波传播时间，总共要进行八次超声波传播时间测量，其中，单次超声波传播时间测量具体过程为：DSP将测风命令信息和当前的测量通道码通过数据总线发给FPGA，FPGA产生对应个数的驱动方波信号、回波增益倍数以及通道选通信号，并发送至发射接收板，同时，开启采集延时的计数，等待电压回波信号到达时通知模数转换器进行采集；
发射接收板，包括两个通道选择模块、发射驱动电路以及回波调理电路；所述的回波调理电路包括信号接收模块、信号放大器、带通滤波模块以及差分驱动电路；
发射接收板接收到FPGA发送的方波驱动信号和通道选通信号后，第一通道选择模块根据通道选通信号选择对应通道转发方波驱动信号至发射驱动电路，发射驱动电路产生驱动信号发送至被第一通道选择模块选通的换能器，该换能器发射超声波信号，并由与之相对安装的换能器接收到该超声波信号，并产生微弱的电压回波信号，第二通道选择模块再根据对应的通道选通信号选通产生该电压回波信号的换能器，并将电压回波信号转发至回波调理电路；
在回波调理电路中，通过信号接收模块接收电压回波信号，再由信号放大器进行信号放大，使输入的电压回波信号能够满足模数转换器的输入范围，通过带通滤波模块滤波后输入至差分驱动电路，将信号转换为差分电压回波信号后输入至模数转换器；
当差分电压回波信号即将到达模数转换器时，FPGA中断采集延时计数，并发出采集使能的控制信号，通知模数转换器开始采集差分电压回波信号，将采集得到的电压回波数据暂存在FPGA的双端口RAM模块中，完成一个通道的数据采集，然后，FPGA通过IO口发出一个中断信号通知DSP，DSP通过数据总线以及地址总线取出FPGA中存储的电压回波数据，暂存到DSP内部的存储器中，待电压回波数据存储完毕后，DSP开始下一个通道的采集，然后重复上述过程，直到八个通道的电压回波数据全部采集完毕后结束，然后DSP根据电压回波数据分别解算出每个通道的超声波传播时间，再计算出四个方向上的风速分量，并将环上三对芯棒方向的风速分量进行三维合成，得到三维空间中的三维风速风向，再结合换能器在空间四个方位的位置，由三维风速风向求出第四个方向上风速分量的理论值，并与实际测得的结果进行比较，如果差距较大，则代表测量有误，舍弃本次测量结果；如果差距较小，则由数模转换器将合成后的三维风速风向的数字信号转换为电流信号并输出，从而完成整个测风周期的测风流程。
2.根据权利要求1所述的一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，其特征在于，所述左右环形支架上的四个螺纹孔，一个位于圆环的圆心处，另外三个位于环上，且构成以圆心为几何中心的等边三角形，环上的三螺纹孔安装换能器芯棒后，三对换能器芯棒的连线两两之间夹角相等且并不为直角。
3.根据权利要求1所述的一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，其特征在于，所述换能器芯棒的外表面有一组组螺纹，用于调节换能器芯棒和左右环形支架的相对位置，从而能改变换能器之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，其特征在于，所述的信号放大器采用两级程控放大器，通过调节增益使输入的回波信号能够满足模数转换器的输入范围。
5.根据权利要求1所述的一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，其特征在于，所述的带通滤波模块采用贝塞尔滤波器，其中心频率为200kHz，通带为16kHz，阶数为2阶。
6.根据权利要求1所述的一种换能器组距离可调的三维非正交超声波阵列测风装置，其特征在于，所述的将环上三对芯棒方向的风速分量进行三维合成的方法为：
Figure FDA0003695750640000031
Figure FDA0003695750640000032
其中，
Figure FDA0003695750640000033
表示三维合成后的风速，
Figure FDA0003695750640000034
表示三维合成后的风向在水平方向上的方位角，
Figure FDA0003695750640000035
分别表示环上三对芯棒方向的风速分量。
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