CN110346600A - 一种超声波风速风向测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波风速风向测量方法，该方法首先建立十字交叉的超声波风速测量装置，然后采集换能器发射信号和相对应换能器接收信号的时间数据，基于风速和角度补偿计算正交路径超声波测风仪的风速和风向，缩小风速和风向测量值和实际值的误差。本发明解决超声波测风仪换能器阴影效应带来误差使风速风向测量精度降低的问题，极大的提高测量数据的精确性。

Description

一种超声波风速风向测量方法
技术领域
本发明属于风向和风向的测量方法，具体涉及一种超声波风速风向测量方法。
背景技术
风速测量在工农业生产科学实验中都有广泛的应用，尤其是在气象领域，风是气象要素中最活跃的要素之一。风速测量仪器发展迅速，测量手段与方法日益丰富，这其中包括近年来快速发展的超声波测风法。
超声波测风仪被广泛应用在风速测量中，但超声波测风仪因自身结构测量方式的弊端，超声波探头会对风的前进路线产生阻挡，在探头后面产生一片阴影区,在风速的正常测量过程中产生很大的测量误差。随着对风速测量精度要求的提高，在超声测风仪中换能器带来阴影效应对风速测量带来的误差影响必须解决。
目前在超声波换能器带来阴影效应和湍流方面的研究，国外的一些学者提出的一些思路很有价值。Kaimal首先讨论过，阴影效应是指沿着声学路径的换能器尾流中的速度不足，调查了有限路径长度和路径分离的影响方面取得的进展，认为超声波测风仪没有任何运动部件与流动达到动态平衡，因此它的频率响应仅受到沿路径平均线施加的空间滤波的限制，它对风速线性响应相对自由，测风仪其他速度成分有温度造成的干扰误差。Cuerva和Sanz-Andres设计的经典的超声测风仪模型其测量方式基于两个超声波换能器之间的超声脉冲的飞行时间。每个换能器作为发射器和接收器交替工作，在它们之间发送超声波脉冲。由超声波测风仪测量的风速由发送和接收过程期间的飞行时间的倒数之间的差确定Ghaemi-Nasab M进行风洞试验以获得用于校正由超声波风传感器测量的速度的校准模型，该方法建立测量路径的发射器和接收器之间的超声信号传播的物理过程的数学模型，比仅考虑直线路径传播的现有技术模型更先进。
上述现有研究在路径风速补偿上有着一定的效果，但在超声波测风仪的应用中还缺少高精度的方向解决阴影效应的问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超声波风速风向测量方法，解决超声波测风仪换能器阴影效应带来误差使风速风向测量精度降低的问题。
技术方案：一种超声波风速风向测量方法，所述方法包括基于风速和角度补偿计算正交路径超声波测风仪的风速和风向，步骤如下：
(1)设置超声波风速测量装置并记录数据，所述超声波风速测量装置包括两条互相垂直的路径，数据包括从东南西北四个方向超声波换能器发射时相对超声波换能器接收到信号的时间，分别记为tx,t-y,t-x,ty；tx对应从东发射西接收；
(2)根据测量装置建立数学坐标系：设东西方向为x坐标轴方向，东为x轴正；南北方向为y坐标轴方向，南为y轴正，风速为V，风向角定义为与x轴夹角为θ；
(3)根据时差法计算风速，其风速的计算表达式如下：
式中，U为时差法计算得到风速，L为相对两超声波换能器之间的距离；
(4)时差法计算风向角θs，其风向角的计算公式如下：
(5)计算补偿后的风向角θ，计算表达式如下：
其中，
φ＝-0.1560θ3+0.7406θ2-1.1284θ+0.5381
(6)计算补偿后的风速V，其表达式如下：
式中，风向角θ为补偿后的风向角，Φ为路径风速补偿角。
进一步的，所述速路径风速补偿角包括x轴方向的补偿角和y轴方向的补偿角其计算表达式如下：
x轴方向：
y轴方向：
更进一步的，超声波风速测量装置通过十字交叉法设置，将4个超声波换能器组成2条互相垂直的路径，且互相垂直的路径分别指向南北方向和东西方向；
所述超声波风速测量装置中，东西向超声波换能器之间的距离和南北向超声波换能器之间的距离相同，均为L。
更进一步的，所述方法包括通过残差模衡量或调整风速和风向计算的补偿值，残差平方和计算公式如下：
Q＝∑(y-y′)2
其中，y表示的测量值，y＇表示实际值。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过风速和角度补偿方法推导出正交双路径超声波测风仪的风速风向的计算方法，得到了有效解决超声波测风中阴影效应带来的测量误差方法，并且可应用于正交超声波测风仪的风速风向测量方法。
附图说明
图1是本发明中正交风速角度测量模型；
图2是本发明所述方法测量风速角度补偿前后的对照图；
图3是本发明所述方法测量风速补偿前后效果图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。
本发明所提供的一种超声波风速风向测量方法，其测量和计算步骤如下：
1、记录信号。
采用4个超声波换能器组成2条互相垂直的路径，如图1所示。设东-西为x坐标轴方向，东为x轴正；设南-北为y坐标轴方向，南为y轴正。分别记录东南西北四个方向超声波换能器发射时对面的那个超声波换能器接收到信号时的时间，记为tx,t-y,t-x,ty。设风速为V，风向角定义为与x轴夹角为θ。
2、计算风速U，根据超声波测量装置所采集的数据，按下式计算风速U：
其中U为时差法计算得到风速，L是相对两超声波换能器之间的距离。
3、计算风向角θs，在获取超声波换能装置所采集的数据后，根据超声波装置传输信号和对应接收信号的时间，按下式计算θs：
4、计算风向角θ，根据步骤3计算得到θs，带入下式解方程计算出θ。
其中，
φ＝-0.1560θ3+0.7406θ2-1.1284θ+0.5381
5、计算风速V
根据步骤4计算得到的θ,带入下式计算出风速V
为了验证方法的效果和根据测量及计算结果对测量装置或风向、风速的补偿值做进一步的修正，本发明通过时差法是没考虑阴影效应直接得计算的方法。通过残差模来衡量本方法的准确性，残差模越小表示方法的效果越好。其中残差平方和公式如下：
Q＝∑(y-y′)2
其中y表示的测量值，y＇表示实际值。
与实验数据进行了对比验证，并将测量数据与直接时差法比较，观察前后的误差情况，辨别方法对数据测量精度是否有提高。
如图1和图2所示，在图2中风速V＝16.73m/s时本发明的计算得到的风向角与时差法计算得到的风向角和实际风向角的对比。对比发现风速角度与传感器测量路径时夹角5.73°到22.9°之间时测量误差最大，“△”代表的补偿风速角度比“+”代表补偿前的测量值更加贴近实际校准线，本发明有着更小的误差。通过计算得到时差法的残差平方和Q为0.0366，本发明的残差平方和Q值为0.0052。
图3是本发明的计算得到的风速与时差法计算得到的风速和实际风速的对比。可以看出，阴影效应带来的误差大大的减少。没考虑阴影效应的时差法得到的风速的测量误差最大14.65％，而本发明所述方法得到的风速的测量误差最大仅1.74％，大大的减小了测量误差，提高了测量精度。

Claims (5)

1.一种超声波风速风向测量方法，其特征在于：所述方法基于风速和角度补偿计算正交路径超声波测风仪的风速和风向，包括如下步骤：
(1)设置超声波风速测量装置并记录数据，所述超声波风速测量装置包括两条互相垂直的路径，数据包括从东南西北四个方向超声波换能器发射时相对超声波换能器接收到信号的时间，分别记为tx，t-y，t-x，ty；
(2)根据超声波风速测量装置建立数学坐标系：设东西方向为x坐标轴方向，东为x轴正；南北方向为y坐标轴方向，南为y轴正，风速为V，风向角定义为与x轴夹角为θ；
(3)根据时差法计算风速，其风速的计算表达式如下：
式中，U为时差法计算得到风速，L为相对两超声波换能器之间的距离；
(4)时差法计算风向角θs，其风向角的计算公式如下：
(5)计算补偿后的风向角θ，计算表达式如下：
其中，
φ＝-0.1560θ3+0.7406θ2-1.1284θ+0.5381
(6)计算补偿后的风速V，其表达式如下：
式中，风向角θ为补偿后的风向角，为路径风速补偿角。
2.根据权利要求1所述的超声波风速测量方法，其特征在于：所述速路径风速补偿角包括x轴方向的补偿角和y轴方向的补偿角数值，其计算表达式如下：
x轴方向：φ＝-0.1560θ3+0.7406θ2-1.1284θ+0.5381
y轴方向：
3.根据权利要求1所述的超声波风速测量方法，其特征在于：超声波风速测量装置通过十字交叉法设置，将4个超声波换能器组成2条互相垂直的路径，且互相垂直的路径分别指向南北方向和东西方向。
4.根据权利要求1所述的超声波风速测量方法，其特征在于：所述超声波风速测量装置中，东西向超声波换能器之间的距离和南北向超声波换能器之间的距离相同，均为L。
5.根据权利要求1所述的超声波风速测量方法，其特征在于：所述方法包括通过残差模衡量或调整风速和风向计算的补偿值，残差平方和计算公式如下：
Q＝∑(y-y′)2
其中，y表示的测量值，y′表示实际值。
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