CN112083190A - 一种超声波风速风向测量装置及其测量误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波风速风向测量装置及其测量误差补偿方法，涉及气象监测技术领域，其克服现有技术的超声波风速风向仪装置在海上气象观测过程中受环境的影响，船体倾斜工作角度受到偏移，影响测量精度，本发明采用DSP技术对系统整体电路进行改进，并增添了温度补偿等模块，后期建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法确定倾角与误差的对应关系，选择合适的算法进行误差的补偿与修正，得到理想的实验值，最后经过大量的实验数据验证方法的有效性与可行性。
Description
技术领域
本发明涉及气象监测技术领域，具体涉及一种超声波风速风向测量装置及其测量误差补偿方法。
背景技术
近年来,电子信息技术日新月异，相对于传统的机械式风速风向仪易摩擦、损坏，存在启动风速和转动惯性，以及使用环境受到限制等缺点，超声波的风速风向仪得到广泛的使用。超声波测风方法主要有时差法、相关法、多普勒法、频率差法等,其中基于时差法的超声波风速风向仪具有时效性好、精度高、稳定性强等优点，广泛应用于科学实验和环境监测之中,尤其在气象领域。
在我国大力推进海洋战略开发的背景下，对海洋的气象环境的监测尤其重要。相对于陆地气象观测，海上气象观测主要以海上浮标、气象观测船等方式为主。舰船搭载气象监测仪器可以实时观测船上各气象要素，但海上环境受风浪冲击影响较大。船体受海浪打击极易颠簸摇晃、造成仪器工作角度倾斜，产生较大的偏转与抖动。亟需一种能克服外力打击使仪器有效防抖的解决方案，比较典型的有“CN201810637527一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置及其角度自适应平衡调节方法”。
超声波风速风向仪装置在工作测量时需要保持水平且参考方向不变的状态，且结构参数等要素影响下会产生阴影效应，容易导致测量数据不准确。现有技术中超声波测风装置存在的测量结果不精确问题仍需解决。
发明内容
为了克服现有技术的超声波风速风向仪装置在海上气象观测过程中受环境的影响，船体倾斜工作角度受到偏移，影响测量精度，本发明采用DSP技术对系统整体电路进行改进，并增添了温度补偿等模块，后期建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法确定倾角与误差的对应关系，选择合适的算法进行误差的补偿与修正，得到理想的实验值，最后经过大量的实验数据验证方法的有效性与可行性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超声波风速风向测量装置，包括安装座，所述安装座的四周均匀排列有四个支柱,所述四个支柱与安装座的连接处设有加强筋,四个支柱的顶端均固定有超声波换能器，且分别分布在同一水平面内垂直正交的两个轴线上,距离固定，安装座的上表面设置温度传感器,所述安装座上还设有通信接口。
作为本发明一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述温度传感器包括温度检测电路和加热电路,温度检测电路包括热敏电阻,加热电路包括N-MOS三极管，检测电路检测仪器工作环境，并由加热电路进行实时温度补偿。
作为本发明一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，还包含MCU微处理器、电源模块、超声波测风模块、数据通信模块、温度补偿模块、误差补偿单元、超声波驱动电路、超声波换能器模块；
其中，所述电源模块、超声波测风模块、数据通信模块、温度补偿模块、误差补偿单元分别与MCU微处理器的相应端口电连接，所述MCU微处理器通过超声波驱动电路连接超声波换能器模块。
作为本发明一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述超声波测风模块包括模拟开关、换能器探头、收发电路、放大电路、滤波电路、斩波反相和电压比较电路，所述模拟开关依次经过换能器探头、收发电路、放大电路、滤波电路、斩波反相和电压比较电路连接MCU微处理器。
作为本发明一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述电源模块包括电压源和降压电路,降压电路包括稳压芯片,24V电压源DC-DC转换电路直接降压为5V，经AMS1117转换芯片降压输出3.3V电压,稳压芯片的输入端与接地端之间连接有0.1uF电容,输出端与接地端之间并联10uF电容，为MCU微处理器和各模块供电。
作为本发明一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述滤波电路采用截止频率为180kHz的高通滤波器和截止频率为220kHz的低通滤波器组合成中心频率为200kHz、带宽为40kHz的带通滤波器。
作为本发明一种超声波风速风向测量装置的进一步优选方案，所述放大电路采用5532运放器二级放大。
一种基于超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法,具体包含如下步骤；
步骤1，建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法确定倾角与误差的对应关系；
步骤2，采用最小二乘法进行曲线拟合，计算出不同区间空间倾角的误差补偿系数；
步骤3，经过大量的实验数据统计分析，验证算法的可行性，进而有效解决了载体倾斜带来的测量不准确问题。
作为本发明一种基于超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法的进一步优选方案，在步骤1中，以超声波风速风向仪的底平面建立风速风向矢量的三维空间模型，将空间上一点的风速变化值ΔV用
(x0,y0,z0)表示，起点为坐标原点，终点为A；
为向量
在xoy平面的投影，γ为
向量与xoy面的夹角，θ为
与x轴正向的夹角；
为向量
在yoz平面的投影，β为
向量与xoy面的夹角；对
向量进行矢量分解可以得到：tanθ＝y0/x0,
作为本发明一种基于超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法的进一步优选方案，在步骤2中，根据相应的区间角θ和空间倾角γ，不同区间的误差补偿公式系数不同，利用最小二乘法估计准则，通过试验数据得到n个样本误差表达式如下：
…
其中，Vε为此时角度风速的真实值，Vσ为对应角度下风速的测量值，ΔV为风速的变化值，单位均为m/s；β0、β1、β2、β3…βm为未知系数，上述线性方程组可以表示为：
即Aβ＝ΔV，利用最小二乘法估计准则求解，最终的矩阵表达形式为：min||Aβ-ΔV||最后的最优解为：β＝(ATA)-1ATΔV；
同理可求得风向：
本发明的技术效果和优点：
1.本发明超声波换能器的支柱与安装座的连接处设有加强筋,可以防止风速过大而引起换能器的抖动，确保四个换能器位于同一的正交平面，已知超声波传播速度与绝对温度T的关系为C＝331.45+0.607T，温度传感器设置在安装座的外面,可以精确测量外界的冷暖气流,对超声波风速进行实时补偿；
2.本发明硬件结构上采用32位的微处理器,满足了高速时钟信号的测量，对信号进行两级放大、滤波去噪处理后,峰值两侧基本呈对称，峰值点捕捉良好；且具有良好的抗干扰性和可靠性，电路设计合理，采样精度高。
3.建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法找出倾角与误差的对应关系，采用最小二乘法进行拟合修正，并对大量的实验数据进行统计分析，可以得到相对比较准确的、接近风场风速风向的补偿值，验证了方法的有效性与可行性。
附图说明
图1是本发明超声波风速风向测量装置的结构示意图；
图2是本发明超声波风速风向测量装置的原理框图；
图3是信号放大电路模块示意图；
图4是带通滤波电路原理图；
图5是温度补偿模块示意图；
图6是风速风向矢量的三维空间模型；
图7未补偿与补偿后的风速误差比较图；
图8未补偿与补偿后的风向误差比较图。
附图标记为：1：安装座:；2：加强筋；3：支柱:；4：超声波换能器；5温度传感器；6：通信接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
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。
如图1所示,本发明的本发明的一种超声波风速风向测量装置,包括安装座1，安装座的四周均匀排列有四个支柱3,四个支柱3与安装座的连接处设有加强筋2,将支柱与安装座进行加固处理,防止风速过大而引起支柱的抖动。四个支柱3的顶端固定有超声波换能器4，共四个，分别分布在同一水平面内垂直正交的两个轴线上,距离固定，则超声波传播路径即为两探头之间的距离。温度传感器5设置在安装座上表面,可以精确测量外界的冷暖气流,为了同时满足有线传输和无线传输，通信接口6为预留的RS485接口，也可选取无线(GPRS/GNSS等)与上位机连接,发送气象数据至终端设备。
如图2中所示，一种超声波风速风向仪电路由电源模块、超声波测风模块、数据通信模块、温度补偿模块和误差补偿单元等组成。其中，电源接口选用常用的24V宽电压输入，通过DC-DC转换电路直接降压为5V，再由稳压芯片降压至需要的3.3V。在整个硬件系统中，主控制器、485芯片、温度检测传感器、SWD程序下载电路等模块采用3.3V电源供电。其中微处理器STM32F103RCT6芯片采用3.3V电源供电，工作时最高频率可达到72MHz满足信号采集对主控制器的要求，且自带转换接口。
在进一步的优选方案中，所述的超声波探头是四个超声波换能器。分别分布在同一水平面内垂直正交的两个轴线上,距离固定，则超声波传播路径即为两探头之间的距离，电路结构简单且四路驱动信号互不干扰。
进一步的,当超声波换能器发射超声波信号后，信号在传播过程中衰减较大，接收换能器接收到的超声波信号在最初始端的最大幅值约为40mV，无法被微控制器直接识别，特使用5532运放器二级放大，选择阻容耦合方式进行级联，输出更高的信号和功率带宽。
所述信号比较电路中，当正相输入端的超声波信号大于预设参考电压值时，电路输出低电平，反之电路输出高电平。
在进一步地优选方案中，温度传感器包括温度检测电路和加热电路,直接连接微控制器。温度检测电路包括热敏电阻,加热电路包括N-MOS三极管，检测电路检测仪器工作环境，并由加热电路进行实时温度补偿。
相应的,本发明还提供了一种基于以上所述超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法,其特征是建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法确定倾角与误差的对应关系，采用最小二乘法进行曲线拟合，计算出不同区间空间倾角的误差补偿系数。最后经过大量的实验数据统计分析，验证算法的可行性。有效地解决了载体倾斜带来的测量不准确等一系列问题。
超声波测风模块包括模拟开关、换能器探头、收发电路、放大电路、滤波电路、斩波反相和电压比较电路。主控制芯片配合定时器产生一路频率为200kHz、占空比为50％的脉冲信号，脉冲信号经过4选1模拟开关分时复用为四路脉冲信号，经过发射驱动电路放大后驱动超声波换能器。四个超声波换能器分为两组,位于同一水平面内正交的两个轴线上,水平相对且距离固定，分别由模拟开关分时控制，在一个时间段内由一组超声波换能器分别进行超声波信号的发射和接收工作。假设在CD方向上的风速为Vx,C与D间距为L,在无风环境下超声波在空气中的传播速度为V0，测得超声波信号从换能器C发射到D接收之间的时间为tcd，从D发射到C接收之间的时间为tdc,以CD方向为正方向，那么有
同理可得AB方向上风速为
正交合成可得
风向角
如图3所示，为确保回波信号能够被识别，采取两路5532运放芯片进行级联放大的设计方案，第一级放大倍数
第二级放大倍数：
最终放大倍数：
如图4所示，滤波电路采用截止频率为180kHz的高通滤波器和截止频率为220kHz的低通滤波器组合成中心频率为200kHz、带宽为40kHz的带通滤波器，峰值点突出。滤波电路后端加上斩波跟随电路，将正弦波信号负半轴上的信号去除。最后经电压比较器将连续的模拟信号转换成只有高、低状态的离散数字电平信号。
如图5所示，温度补偿电路Control Relav端连接至微控制器，VIN-h端连接加热膜电路接口。当检测到仪器工作环境小于4℃时，控制器引脚Control Relav端，输出低电平，此时三极管截止,则N-mos管栅极电压为高电平，此时mos管Q1导通，加热线电路形成回路，开始加热进行温度补偿。
海上气象观测容易受外界环境影响，海浪和海风等都会使船体倾斜，影响超声波风速风向仪的工作角度，产生较大的偏转与抖动。
如图6所示，为了解决上述误差问题，以超声波风速风向仪的底平面建立风速风向矢量的三维空间模型，将空间上一点的风速变化值ΔV用
(x0,y0,z0)表示，起点为坐标原点，终点为A。
为向量
在xoy平面的投影，γ为
向量与xoy面的夹角，θ为
与x轴正向的夹角。
为向量
在yoz平面的投影，β为
向量与xoy面的夹角。对
向量进行矢量分解可以得到：tanθ＝y0/x0,
当风速风向仪的传感器探头倾斜一定的角度时，便会与原来的风场产生一个空间的夹角。为了便于分析，采用类比的方法，假设传感器的倾角没有变化，而是风场以一定的角度进行变化，对原风场进行矢量分解。又θ的取值范围0°～360°，使传感器单方向的倾斜角逐次增大，进行多组数据测量。综合所测得的空间数据，容易得出当传感器的空间倾角发生变化时，在各个拟合点的风速风向仪所测量到的风速风向值与实际的风速风向值的误差，并且随着倾角的增加，误差显著增大。将这些实验数据作为传感器随倾角变化，作为其误差补偿算法对数据处理的依据。
根据相应的区间角θ和空间倾角γ。不同区间的误差补偿公式系数不同，利用最小二乘法估计准则，通过试验数据得到n个样本误差表达式如下：
…
其中，Vε为此时角度风速的真实值，Vσ为对应角度下风速的测量值，ΔV为风速的变化值，单位均为m/s；β0、β1、β2、β3…βm为未知系数，上述线性方程组可以表示为：
即Aβ＝ΔV，利用最小二乘法估计准则求解，最终的矩阵表达形式为：min||Aβ-ΔV||最后的最优解为：β＝(ATA)-1ATΔV。
同理可求得风向：
如图7、8所示，随机取θ＝45°，传感器没有空间倾斜时为实际测量值，有空间倾斜时为未校正测量值，用最小二乘法估计准则进行拟合，得出未补偿和加误差补偿后的风速、风向图。经过统计分析可以看出，经过补偿后的风速、风向更加接近真实值，验证了方法的有效性与可行性。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：包括安装座(1)，所述安装座(1)的四周均匀排列有四个支柱(3),所述四个支柱(3)与安装座(1)的连接处设有加强筋(2),四个支柱(3)的顶端均固定有超声波换能器(4)，且分别分布在同一水平面内垂直正交的两个轴线上,距离固定，安装座(1)的上表面设置温度传感器(5),所述安装座(1)上还设有通信接口(6)。
2.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：所述温度传感器(5)包括温度检测电路和加热电路,温度检测电路包括热敏电阻,加热电路包括N-MOS三极管，检测电路检测仪器工作环境，并由加热电路进行实时温度补偿。
3.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：还包含MCU微处理器、电源模块、超声波测风模块、数据通信模块、温度补偿模块、误差补偿单元、超声波驱动电路、超声波换能器模块；
其中，所述电源模块、超声波测风模块、数据通信模块、温度补偿模块、误差补偿单元分别与MCU微处理器的相应端口电连接，所述MCU微处理器通过超声波驱动电路连接超声波换能器模块。
4.根据权利要求3所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：所述超声波测风模块包括模拟开关、换能器探头、收发电路、放大电路、滤波电路、斩波反相和电压比较电路，所述模拟开关依次经过换能器探头、收发电路、放大电路、滤波电路、斩波反相和电压比较电路连接MCU微处理器。
5.根据权利要求3所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：所述电源模块包括电压源和降压电路,降压电路包括稳压芯片,24V电压源DC-DC转换电路直接降压为5V，经AMS1117转换芯片降压输出3.3V电压,稳压芯片的输入端与接地端之间连接有0.1uF电容,输出端与接地端之间并联10uF电容，为MCU微处理器和各模块供电。
6.根据权利要求4所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：所述滤波电路采用截止频率为180kHz的高通滤波器和截止频率为220kHz的低通滤波器组合成中心频率为200kHz、带宽为40kHz的带通滤波器。
7.根据权利要求4所述的一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：所述放大电路采用5532运放器二级放大。
8.一种基于权利要求1至6任一项所述超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法,其特征在于：具体包含如下步骤；
步骤1，建立风速风向矢量的三维空间模型，通过空间测量的方法确定倾角与误差的对应关系；
步骤2，采用最小二乘法进行曲线拟合，计算出不同区间空间倾角的误差补偿系数；
步骤3，经过大量的实验数据统计分析，验证算法的可行性，进而有效解决了载体倾斜带来的测量不准确问题。
9.根据权利要求7所述的一种基于超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法，其特征在于：在步骤1中，以超声波风速风向仪的底平面建立风速风向矢量的三维空间模型，将空间上一点的风速变化值ΔV用
表示，起点为坐标原点，终点为A；
为向量
在xoy平面的投影，γ为
向量与xoy面的夹角，θ为
与x轴正向的夹角；
为向量
在yoz平面的投影，β为
向量与xoy面的夹角；对
向量进行矢量分解可以得到：tanθ＝y0/x0,
10.根据权利要求7所述的一种基于超声波风速风向测量装置的测量误差补偿方法，其特征在于：在步骤2中，根据相应的区间角θ和空间倾角γ，不同区间的误差补偿公式系数不同，利用最小二乘法估计准则，通过试验数据得到n个样本误差表达式如下：
…
其中，Vε为此时角度风速的真实值，Vσ为对应角度下风速的测量值，ΔV为风速的变化值，单位均为m/s；β0、β1、β2、β3…βm为未知系数，上述线性方程组可以表示为：
即Aβ＝ΔV，利用最小二乘法估计准则求解，最终的矩阵表达形式为：min||Aβ-ΔV||最后的最优解为：β＝(ATA)-1ATΔV；
同理可求得风向：
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