CN112649897A - 一种手持气象仪及风速和风力的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手持气象仪及风速和风力的测定方法，搭载在所述手持气象仪上的超声测风传感器，包括发射平面、反射平面、超声波换能器、风速风向处理器、收发转换模块、发射模块和接收模块，其中，所述超声波换能器为N组共3N个，各组中的超声波换能器成等边三角形分布；测量风向和风速时，选用其中一组中的一个超声波换能器发射超声波，该组其余两个超声波换能器接收超声波，通过两路接收的相位差得到时间差，循环发射和接收，每组可得到三组时间差，以时间差为数据基础，根据矢量合成原理，可以得到风速和风向值；本发明采用测量超声波相位的方法得到时间差进而确定风速和风向，准确度更高，且具有体积小可手持、重量轻以及功耗小的特点。

Description

一种手持气象仪及风速和风力的测定方法

技术领域

本发明属于地面气象探测技术领域，特别涉及一种基于超短距离超声测风传感器的手持气象仪及风速和风力的测定方法。

背景技术

手持式气象观测仪测风有采用机械式的测风传感器，其风速测量采用三杯风速计，风向采用风向标。这种结构的风传感器容易受外力影响，造成变形，影响风的测量误差。还有采用超声波反射式测风传感器，其测量风原理采用时间差法，计算发射和接收的时间差，通过公式反算出风向和风速。由于超声波在空气中传播速度很快，为了分辨出时间差，需要两个探头之间的距离不能太近，造成反射式的测风传感器体积不能做的很小。同时，反射式要求反射面要保证一定的平整度，所以一般采用金属材质，这就造成其重量很重。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种基于超短距离超声测风传感器的手持气象仪及风速和风力的测定方法，解决了现有技术中存在的风速和风向测量误差大、体积大、重量重、携带不方便的问题，同时具有待机时间长的特点。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种手持气象仪，包括：搭载在所述手持气象仪上的超声测风传感器，所述超声测风传感器为圆柱状结构，包括发射平面、反射平面、超声波换能器、风速风向处理器、收发转换模块、发射模块和接收模块，其中，

所述发射平面和反射平面为两相对的圆形板面，发射平面用于确定超声波换能器的安装位置，反射平面用于反射超声波换能器发射的超声波；

所述超声波换能器为N组共3N个，N为正整数，各组中的超声波换能器成等边三角形分布，各组中超声波换能器的收发端在一个平面内；测量风向和风速时，选用其中一组中的一个超声波换能器发射超声波，该组其余两个超声波换能器接收超声波，通过两路接收的相位差得到时间差，循环发射和接收，每组可得到三组时间差，通过时间差的绝对值，可以计算3个方向上的风速值，根据矢量合成原理，可以得到最终风速值；通过计算时间差的相对值，并根据矢量合成原理，可以得到风向值；

所述风速风向处理器，用于向收发转换模块发送发射链路调整指令和接收链路调整指令，选择一组或多组超声波换能器作为工作组，采集风向和风速测定的基础数据；向发射模块发送发射超声波的指令以及向接收模块发送接收超声波的指令，并依据同组超声波换能器接收到的超声波的时间差进行风速和风向的测定；

收发转换模块，用于根据发射链路调整指令，将设定的发射超声波的超声波换能器与发射模块连接，形成发射链路；根据接收链路调整指令，将与发射链路上超声波换能器同组的其余两个超声波换能器与接收模块连接，形成接收链路；

发射模块，用于驱动发射链路上的超声波换能器发射超声波；

接收模块，用于驱动接收链路上的超声波换能器接收超声波，并将接收到的超声波整形、滤波、放大后传输至风速风向处理器。

第二方面，一种风速和风向的测定方法，包括如下步骤：

步骤1，风速风向处理器根据初始化参数中频率相关参数进行频率生成，同时控制收发转换模块使发射模块与一组超声波换能器中的第一超声波换能器 A连接形成发射链路，接收模块与该组中的第二超声波换能器B和第三连通超声波换能器C连接形成两条接收链路；

步骤2，风速风向处理器根据初始化参数中设定的发射波形个数，发射规定数目的波形；优选所述始化参数中设定的发射波形个数为10～30个；

步骤3，风速风向处理器从波形发射开始计时；

步骤4，当接收计时达到初始化参数中设定的计时长度时，停止接收，寻找波形到达时刻，并记录达到时间，得到第一超声波换能器A到第二超声波换能器B和第三超声波换能器C的波形传输时间，得到一个时间差TA；

步骤5，当收发转换模块切换计时达到初始化切换计时参数值时，关闭发射模块与第一超声波换能器A的连接，开启发射模块与第二超声波换能器B的连接，关闭接收模块与第二超声波换能器B和第三超声波换能器C的连接，开启接收模块与第一超声波换能器A和第三超声波换能器C的连接，重复第2步至第4步，得到第二超声波换能器B到第一超声波换能器A和第三超声波换能器C的波形传输时间，得到一个时间差TB；

步骤6，当收发转模块切换计时再次达到初始化切换计时参数值时，关闭发射模块与第二超声波换能器B的连接，开启发射模块与第三超声波换能器C 的连接，关闭接收模块与第一超声波换能器A和第三超声波换能器C的连接，开启接收模块与第一超声波换能器A和第二超声波换能器B的连接，重复第2 步至第4步，得到第三超声波换能器C到第一超声波换能器A和第二超声波换能器B的波形传输时间，得到一个时间差TC；

步骤7，重复第1步至第6步的步骤，使其形成不断轮换的周期；

步骤8，根据上述7步采集的数据，计算得出风速和风向。

本发明提供的手持气象仪及风速和风力的测定方法，具有以下有益效果：

(1)本发明基于超短距离超声测风传感器的手持气象仪采用超短距离超声测风传感器，没有采用传统的机械式测风传感器或者对射式测风传感器，解决了机械式测风传感器使用寿命短、容易损坏的缺点，解决了采用对射式测风传感器体积大、重量重、功耗大的缺点；

(2)本发明基于超短距离超声测风传感器的手持气象仪，超声测风传感器采用成正三角形分布的超声波换能器，不采用直接测量时间的方式，而是采用测量超声波相位的方法得到时间差，规避了传统采用时间差测量对波形的上升沿和下降沿判断不准，以及为了保证时间的测量，两个超声波换能器(探头) 之间距离不能过小，造成传感器体积过大的问题，采用相位的方式测量，对探头的距离没有限制，可以极大缩短传感器体积；

(3)本发明基于超短距离超声测风传感器的手持气象仪，超声测风传感器以及整个手持气象仪的设计，不会对风场产生影响，使风速和风向测量准确性高；

(4)本发明基于超短距离超声测风传感器的手持气象仪，超声测风传感器的结构设计体积小，且通过采用FPGA处理器，整套传感器的功耗很低，提高了气象仪的待机时长；

(5)本发明基于超短距离超声测风传感器的手持气象仪，采用超短距离测风传感器，手持气象仪较现有技术中的机械式测风传感器气象仪，直径可以减小三分之二，重量可以减小百分之五十，并且没有转动部件，可靠性高、环境适应性强，非常适合手持使用；

(6)本发明基于超短距离超声测风传感器的手持气象仪，选用了强制通风防辐射罩设计，该强制通风防辐射罩采用强制通风的方式测量空气温度和湿度，工作时风由上层进气孔道被轴流风扇吸入，对防辐射罩内部温湿度传感器周围空气进行强制交换，消除空气不流通、设备自身发热、飞虫砂石对测量的影响，测量结果更为准确，且有效防止了飞虫及砂尘对传感器的破坏。

附图说明

图1示出本发明一种优选实施方式中气象仪的结构示意图；

图2示出本发明一种优选实施方式中超声波换能器的布局图；

图3示出本发明一种优选实施方式中强制通风防辐射罩的结构示意图；

图4示出本发明一种优选实施方式中百叶片的剖视图；

图5示出本发明一种优选实施方式中百叶片的俯视图；

图6示出本发明一种优选实施方式中百叶片-第一通风道(第二通风道)- 百叶片的对接示意图；

图7示出本发明一种优选实施方式中第一通风道的结构示意图。

附图标号说明

1-测风传感器，100-百叶片，110-过渡连接柱，200-第一通风道，210-进气孔道，300-第二通风道，400-轴流风扇，500-风扇安装座。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明提供了一种基于超短距离超声测风传感器的手持气象仪，如图1所示，包括：搭载在所述手持气象仪上的超声测风传感器1，所述超声测风传感器1在气象仪的最上端，以避免周围其他部件如防辐射罩对风场的影响，进而影响风向和风速的测定；所述超声测风传感器1为圆柱状结构，包括发射平面、反射平面、超声波换能器、风速风向处理器、收发转换模块、发射模块和接收模块，其中，

所述发射平面和反射平面为两相对的圆形板面，发射平面用于确定超声波换能器的安装位置，反射平面用于反射超声波换能器发射的超声波；

所述超声波换能器为N组共3N个，N为正整数，各组中的超声波换能器成等边三角形分布，各组中超声波换能器的收发端在一个平面内，如图2所示；测量风向和风速时，选用其中一组中的一个超声波换能器发射超声波，该组其余两个超声波换能器接收超声波，通过两路接收的相位差得到时间差，循环发射和接收，每组可得到三组时间差，通过时间差的绝对值，可以计算3个方向上的风速值(如通过“超声波换能器与反射平面的间距”/“时间差的绝对值”确定风速值)，根据矢量合成原理，可以得到最终风速值；通过计算时间差的相对值，并根据矢量合成原理，可以得到风向值(如采用任意两个时间差的比值为风向与基准风向夹角对应的正切值或反切值)；根据该风向风速测定原理，若各组中的超声波换能器的收发端头不在一个平面内，将直接导致由于测距不同造成的测定误差；

所述风速风向处理器，用于向收发转换模块发送发射链路调整指令和接收链路调整指令，选择一组或多组超声波换能器作为工作组，采集风向和风速测定的基础数据；向发射模块发送发射超声波的指令以及向接收模块发送接收超声波的指令，并依据同组超声波换能器接收到的超声波的时间差进行风速和风向的测定；

收发转换模块，用于根据发射链路调整指令，将设定的发射超声波的超声波换能器与发射模块连接，形成发射链路；根据接收链路调整指令，将与发射链路上超声波换能器同组的其余两个超声波换能器与接收模块连接，形成接收链路；

发射模块，用于驱动发射链路上的超声波换能器发射超声波；

接收模块，用于驱动接收链路上的超声波换能器接收超声波，并将接收到的超声波整形、滤波、放大后传输至风速风向处理器。

在本发明一种优选的实施方式中，所述发射平面至反射平面的间距为 10～20mm。由于超声波换能器一般与发射平面齐平或略凹入发射平面内，而不会凸出发射平面以避免影响风场，因而发射平面至反射平面的间距与超声波换能器至反射平面的间距相当或相近；若发射平面至反射平面的间距过小，则加工难度大，超声传播距离短，对处理器的要求高；若发射平面至反射平面的间距过大，则超声波衰减比较严重，在高风速下，信号的信噪比降低，高风速的测量精度低；10～20mm为避免上述缺点的优选范围。本发明中10～20mm的传输范围属于超短距离传输范围，超声波在空气中传播，其能力的衰减是距离的指数关系，由于采用了超短距的传输和测量方式，超声波的能量衰减较小，所以可以采用低电压驱动，超声波换能器消耗的能量很低，整套传感器的功耗很低。

在本发明一种优选的实施方式中，所述发射平面和反射平面采用3个或6 个均布的支柱连接；优选该支柱位于发射平面和反射平面的边缘外；更优选该支柱数目为3个时，该3个支柱为正三角形的三个顶点，且与一组超声波换能器的位置对应，该支柱数目为6个时，该6个支柱为正六角星形的六个顶点，且其中的3个支柱与一组超声波换能器的位置对应。支柱的数目和安装位置是基于支撑稳定性和对风场的影响两方面考虑，若数目过少，则支撑稳定性不高，若数目过多或非3倍数，则对风场产生干扰；支柱数目为3个或6个，位于发射平面和反射平面的边缘外且与超声波换能器的位置对应，保证支撑可靠性的同时利于降低对风场的干扰。

在本发明一种优选的实施方式中，所述超声波换能器的数目为3个或6个。

进一步地，所述超声波换能器的数目大于3个时(即超声波换能器的组数大于1组时)，可以均为工作组，也可以分为工作组和备用组，备用组在工作组出现故障时启用。

进一步地，所述超声波换能器的收发端靠近发射平面的边缘，以增大同一组中超声波换能器之间的距离，提高对两路接收链路时间差的检测准确性。

进一步地，所述超声波换能器发射的超声波频率为100～200KHz。超声波频率过低则波长比较长，需要超声波换能器的收发端与反射面的距离较大，造成传感器的体积较大，过高则波长比较短，超声波在空气中衰减比较快，接收时，噪声影响较大不利于高风速的测量，上述范围为适宜范围。

进一步地，所述超声波换能器发射的超声波的波形为方波、正弦波或余弦波。

在本发明一种优选的实施方式中，所述风速风向处理器的工作组为一组时，根据该组超声波换能器接收到的超声波的时间差为数据基础进行风速和风向的测定；所述风速风向处理器的工作组为多组时，风速风向处理器向收发转换模块发送指令，依次在各超声波换能器工作组间进行发射链路和接收链路的调整，各工作组均获得测定风速和风向的基础数据，根据预先确定的规则，确定最终风速和风向结果，如选用各组风速的均方根平均值作为最终风速结果，选用各组风向中数量最多的风向或者风向的拟合值作为最终风向结果。

在本发明一种优选的实施方式中，由于该气象仪采用超短距发射结构测定风速和风向，发射的超声波到接收的时间特别短，因而确定所述风速风向处理器为FPGA处理器，如包括但不限于XC3S1000芯片和XC3S200芯片，FPGA 芯片优点是高速，并且可以并行处理，上述芯片接收速度可以达到280MHz，可以准确识别超声波，同时由于超声波的间距特别短，不能采用直接测量时间的方式，而是采用测量超声波相位的方法，得到时间差用于后续测算，所以采用FPGA芯片还可以满足两路超声波采集，计算时间差。

所述接收模块采用高速AD采样芯片，包括但不限于AD9634芯片，其采样频率可以达到250MHz，通过高速AD采样芯片，可以将接收波形不失真的采集。

在本发明中，所述手持气象仪还包括：

搭载在所述手持气象仪上的温度测量模块，所述温度测量模块在手持气象仪的中部，并位于手持气象仪的防辐射罩内；

搭载在所述手持气象仪上的湿度测量模块，所述湿度测量模块在手持气象仪的中部，并位于手持气象仪的防辐射罩内；

搭载在所述手持气象仪上的气压测量模块，所述气压测量模块在手持气象仪的中下部，位于手持气象仪的壳体内部；

搭载在所述手持气象仪上的显示屏，所述显示屏负责显示时间、测量的各气象指标如温度、相对湿度、气压、风向和风速；

搭载在所述手持气象仪上的电源模块，用于为气象仪供电；

搭载在所述手持气象仪上的综合处理模块，所述综合处理模块负责整套气象仪的工作。

在本发明一种优选的实施方式中，所述温度测量模块包含热敏电阻(如 PT100铂电阻)和温度-数字输出转换器(如芯片MAX31865)，热敏电阻接入温度-数字输出转换器，温度-数字输出转换器输出的AD值受温度变化调制，输出的AD值传输至综合处理模块，经数据处理得到温度值。

在本发明一种优选的实施方式中，所述湿度测量模块包含湿敏电容和湿度- 数字输出转换器如(NE555芯片)，湿敏电容接入湿度-数字输出转换器，湿度-数字输出转换器输出频率的变化受电容变化调制，输出的AD值传输至综合处理模块，经数据处理得到湿度值。

在本发明一种优选的实施方式中，所述气压测量模块包含硅压阻电桥、信号放大器如(AD620放大器)和AD采样芯片。当气压变化时，硅压阻电桥发生变化，经信号放大器将信号放大，通过AD采样芯片采集AD值，传输至综合处理模块，经数据处理得到气压值。

在本发明一种优选的实施方式中，所述显示屏采用OLED显示屏。

在本发明一种优选的实施方式中，所述电源模块采用18650锂电池。

在本发明一种优选的实施方式中，所述综合处理模块与所述超声测风传感器、温度测量模块、湿度测量模块和气压测量模块通过总线方式连接，各测量模块直接将测量的数据通过总线方式发送给综合处理模块。综合处理模块通过 SPI接口将测量的数据在OLED显示屏上显示。

在本发明一种优选的实施方式中，所述手持气象仪还设置有按键，所述按键用于开关机以及显示屏页面的翻页。

在本发明中，防辐射罩上端与超声测风传感器连接，用于温度测量模块和湿度测量模块的防护。本发明人研究发现，目前的自然通风式防辐射罩是通过将若干片注塑成型的百叶片叠加到一起组成一个层层之间有一定间距的防辐射罩，再将温、湿度测量模块置于防辐射罩中测量大气温湿度。这种方式的防辐射罩在外界风速过小或静风时无法使内部空气流通，会导致测量数据偏差，响应滞后，同时无法及时带走设备产生的热量，也会导致测量温度数据偏高；并且层层之间的通风口对防止飞虫及砂尘对温、湿度测量模块的破坏也存在一定的问题。因而本发明人进行了研究，提供一种强制通风防辐射罩，如图3所示，所述防辐射罩包括百叶片100、第一通风道200、第二通风道300、轴流风扇 400和风扇安装座500，其中，

所述百叶片100为伞状薄板(如优质ASA塑料薄板)，百叶片100的中部具有使气流通过的纵向通风孔；所述百叶窗100外侧为白色或涂布有白色涂层，使其具有良好的反射率，其内侧为黑色或涂布有黑色涂层，以便吸收照射到内层上的辐射，使之不会反射到内部温度测量模块和湿度测量模块上；

所述第一通风道200和第二通风道300为相邻百叶片之间的圆柱状隔层，中部具有使气流通过的纵向通风孔；第一通风道200和第二通风道300的数目之和与百叶片100的数目等同，所述第一通风道200安装于第二通风道300 上方，侧面开设有进气孔道210，用于新风进入，第二通风道300的侧面不开进气孔道，有效避免飞虫、砂石等对内部温度测量模块和湿度测量模块的伤害，且避免了增开进气孔道造成的第一通风道200处抽力下降；

所述风扇安装座500为位于通风道200下方的中空壳体，用于支撑第二通风道300和安装轴流风扇400，壳体上具有使气流通过的纵向通风孔；

所述轴流风扇400固定于风扇安装座500内，用于引发自上至下的强制通风；优选轴流风扇400为超静音轴流风扇。

当强制通风防辐射罩系统运行时，超静音轴流风扇启动，向下吸风，此时新风在吸力作用下经由上层带有通风孔的通风道流入，通过若干层由百叶片和通风道组成的系统，最后通过超静音轴流风扇排出整个系统外。因为温度测量模块和湿度测量模块置于该系统中，此时就完成了对温度模块和湿度测量模块周围空气的强制交换。该系统采用了由上向下吸风的方式，有效避免了气象仪中因数据采集、存储、显示单元工作时产生的热量对温度模块和湿度测量模块采集数据的影响。

在本发明中，如图4和图5所示，所述百叶片100的纵向上加工有中空过渡连接柱110，过渡连接柱下段凹入百叶片内部，过渡连接柱上段凸出百叶片 100板面，所述过渡连接柱下段穿插进入第一通风道200或第二通风道300的内部，实现与第一通风道200或第二通风道300的稳定对接，所述过渡连接柱上段插入上一层百叶片的渡连接柱下段中，实现相邻两层百叶片的对接，对接方式如图6所示。对于最上层的百叶片100，可不设置过渡连接柱上段，或者过渡连接柱上段进入防辐射罩上部部件中。

进一步地，如图4所示，所述过渡连接柱具有阶梯状内孔，依据内孔直径变化，所述过渡连接柱包括由上至下内径依次增大的第一孔径段、第二孔径段和第三孔径段，第一孔径段的长度由过渡连接柱上段延伸至过渡连接柱下段，第二孔径段和第三孔径段位于过渡连接柱下段，第二孔径段的内径不小于过渡连接柱上段外径，使相邻两层百叶片中的下层百叶片的过渡连接柱上段经过第三孔径段后进入第二孔径段中。

更进一步地，所述第三孔径段的内孔中安装有环形垫圈，与下层百叶片的过渡连接柱上段配合，避免雨水等进入气象仪内部，影响电路。

进一步地，所述过渡连接柱为2～6个。

在本发明中，所述第一通风道200与第二通风道300的高度小于其上方的百叶片100的高度，使第一通风道200与第二通风道300落入百叶片100的防护范围内。

进一步地，如图7所示，所述第一通风道200与第二通风道300内加工有过渡连接孔，用于与百叶片的过渡连接柱下段配合，使百叶片的过渡连接柱下段能够便利地插入第一通风道200或第二通风道300内部。

在本发明中，所述百叶片100、第一通风道200与第二通风道300开设的使气流通过的通风孔为圆形。

优选地，所述百叶片100、第一通风道200与第二通风道300开设的使气流通过的通风孔为三瓣梅花形，相较于圆形通风孔，还具有更为明显的减重的效果。

在本发明中，所述风扇安装座500的上壳面加工有连接孔，该连接孔与第一通风道200和第二通风道300的过渡连接孔位置对应，螺纹连接杆(如螺栓或螺钉)依次穿过风扇安装座500的连接孔、以及百叶片100的过渡连接柱将叠加的各组件连为一体，该螺纹连接杆的末端进入承载超声测风传感器的壳体内。

同时，除采用机械连接，所述百叶片100、第一通风道200、第二通风道300和风扇安装座500还可通过胶粘方式固定连接。

根据本发明的第二方面，提供了一种风速和风向的测定方法，通过上述第一方面所述的气象仪测定，具体包括如下步骤：

步骤1，风速风向处理器根据初始化参数中频率相关参数进行频率生成，同时控制收发转换模块使发射模块与一组超声波换能器中的第一超声波换能器 A连接形成发射链路，接收模块与该组中的第二超声波换能器B和第三连通超声波换能器C连接形成两条接收链路；

步骤2，风速风向处理器根据初始化参数中设定的发射波形个数，发射规定数目的波形；优选所述始化参数中设定的发射波形个数为10～30个；

步骤3，风速风向处理器从波形发射开始计时；

步骤4，当接收计时达到初始化参数中设定的计时长度时，停止接收，寻找波形到达时刻，并记录达到时间，得到第一超声波换能器A到第二超声波换能器B和第三超声波换能器C的波形传输时间；当风速不同时，超声波到达第二超声波换能器B和第三超声波换能器C的时间是不同的，可以得到一个时间差TA；

步骤5，当收发转换模块切换计时达到初始化切换计时参数值时，关闭发射模块与第一超声波换能器A的连接，开启发射模块与第二超声波换能器B的连接，关闭接收模块与第二超声波换能器B和第三超声波换能器C的连接，开启接收模块与第一超声波换能器A和第三超声波换能器C的连接，重复第2步至第4步，得到第二超声波换能器B到第一超声波换能器A和第三超声波换能器C的波形传输时间，当风速不同时，得到一个时间差TB；

步骤6，当收发转模块切换计时再次达到初始化切换计时参数值时，关闭发射模块与第二超声波换能器B的连接，开启发射模块与第三超声波换能器C 的连接，关闭接收模块与第一超声波换能器A和第三超声波换能器C的连接，开启接收模块与第一超声波换能器A和第二超声波换能器B的连接，重复第2 步至第4步，得到第三超声波换能器C到第一超声波换能器A和第二超声波换能器B的波形传输时间，当风速不同时，得到一个时间差TC；

步骤7，重复第1步至第6步的步骤，使其形成不断轮换的周期；

步骤8，根据上述7步采集的数据，通过超声波测风的原理计算得出风速和风向。

在一种优选的实施方式中，步骤3中，由于发射平面和接收平面之间存在距离，所以超声波换能器对超声波的接收存在时延，为减小风速风向处理器的计算负担，风速风向处理器在波形发射后根据延时参数延时设定时间后开始计。优选地，延时参数为5～10ms。

在一种优选的实施方式中，步骤7中，超声波换能器的工作组为多组时，依次采用各工作组采集风速和风向测量数据。

采用上述涉及的模块及各模块所用芯片等设计的手持气象仪如图1所示，长度仅为约400mm，最大直径约60mm，重量约为170g，较现有技术中的机械式测风传感器气象仪，直径减小三分之二，重量减小百分之五十，由于没有转动部件，可靠性高、环境适应性强，非常适合手持使用。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (13)

1.一种手持气象仪，其特征在于，包括：搭载在所述手持气象仪上的超声测风传感器，所述超声测风传感器为圆柱状结构，包括发射平面、反射平面、超声波换能器、风速风向处理器、收发转换模块、发射模块和接收模块，其中，

所述发射平面和反射平面为两相对的圆形板面，发射平面用于确定超声波换能器的安装位置，反射平面用于反射超声波换能器发射的超声波；

所述超声波换能器为N组共3N个，N为正整数，各组中的超声波换能器成等边三角形分布，各组中超声波换能器的收发端在一个平面内；测量风向和风速时，选用其中一组中的一个超声波换能器发射超声波，该组其余两个超声波换能器接收超声波，通过两路接收的相位差得到时间差，循环发射和接收，每组可得到三组时间差，通过时间差的绝对值，可以计算3个方向上的风速值，根据矢量合成原理，可以得到最终风速值；通过计算时间差的相对值，并根据矢量合成原理，可以得到风向值；

所述风速风向处理器，用于向收发转换模块发送发射链路调整指令和接收链路调整指令，选择一组或多组超声波换能器作为工作组，采集风向和风速测定的基础数据；向发射模块发送发射超声波的指令以及向接收模块发送接收超声波的指令，并依据同组超声波换能器接收到的超声波的时间差进行风速和风向的测定；

收发转换模块，用于根据发射链路调整指令，将设定的发射超声波的超声波换能器与发射模块连接，形成发射链路；根据接收链路调整指令，将与发射链路上超声波换能器同组的其余两个超声波换能器与接收模块连接，形成接收链路；

发射模块，用于驱动发射链路上的超声波换能器发射超声波；

接收模块，用于驱动接收链路上的超声波换能器接收超声波，并将接收到的超声波整形、滤波、放大后传输至风速风向处理器。

2.根据权利要求1所述的手持气象仪，其特征在于，所述超声测风传感器在气象仪的最上端。

3.根据权利要求1所述的手持气象仪，其特征在于，所述发射平面至反射平面的间距为10～20mm。

4.根据权利要求1所述的手持气象仪，其特征在于，所述发射平面和反射平面采用3个或6个均布的支柱连接；优选该支柱位于发射平面和反射平面的边缘外；更优选该支柱数目为3个时，该3个支柱为正三角形的三个顶点，且与一组超声波换能器的位置对应，该支柱数目为6个时，该6个支柱为正六角星形的六个顶点，且其中的3个支柱与一组超声波换能器的位置对应。

5.根据权利要求1所述的手持气象仪，其特征在于，所述超声波换能器的数目为3个或6个。

6.根据权利要求1所述的手持气象仪，其特征在于，所述超声波换能器的收发端靠近发射平面的边缘。

7.根据权利要求1所述的手持气象仪，其特征在于，所述超声波换能器发射的超声波频率为100～200KHz。

8.根据权利要求1所述的手持气象仪，其特征在于，所述超声波换能器发射的超声波的波形为方波、正弦波或余弦波。

9.根据权利要求1所述的手持气象仪，其特征在于，所述风速风向处理器的工作组为一组时，根据该组超声波换能器接收到的超声波的时间差为数据基础进行风速和风向的测定；所述风速风向处理器的工作组为多组时，风速风向处理器向收发转换模块发送指令，依次在各超声波换能器工作组间进行发射链路和接收链路的调整，各工作组均获得测定风速和风向的基础数据，根据预先确定的规则，确定最终的风速和风向结果。

10.根据权利要求1所述的手持气象仪，其特征在于，所述风速风向处理器采用FPGA处理器；和/或

所述接收模块采用高速AD采样芯片，采样频率不低于250MHz。

11.根据权利要求1至10之一所述的手持气象仪，其特征在于，所述手持气象仪还包括：

搭载在所述手持气象仪上的温度测量模块，所述温度测量模块在手持气象仪的中部，并位于手持气象仪的防辐射罩内；

搭载在所述手持气象仪上的湿度测量模块，所述湿度测量模块在手持气象仪的中部，并位于手持气象仪的防辐射罩内；

搭载在所述手持气象仪上的气压测量模块，所述气压测量模块在手持气象仪的中下部，位于手持气象仪的壳体内部；

搭载在所述手持气象仪上的显示屏，所述显示屏负责显示时间、测量的各气象指标；

搭载在所述手持气象仪上的电源模块，用于为气象仪供电；

搭载在所述手持气象仪上的综合处理模块，所述综合处理模块负责整套气象仪的工作。

12.根据权利要求11所述的手持气象仪，其特征在于，所述综合处理模块与所述超声测风传感器、温度测量模块、湿度测量模块和气压测量模块通过总线方式连接，各测量模块直接将测量的数据通过总线方式发送给综合处理模块。综合处理模块通过SPI接口将测量的数据在显示屏上显示。

13.一种风速和风向的测定方法，通过上述权利要求1至12之一所述的气象仪测定，包括如下步骤：

步骤1，风速风向处理器根据初始化参数中频率相关参数进行频率生成，同时控制收发转换模块使发射模块与一组超声波换能器中的第一超声波换能器A连接形成发射链路，接收模块与该组中的第二超声波换能器B和第三连通超声波换能器C连接形成两条接收链路；

步骤2，风速风向处理器根据初始化参数中设定的发射波形个数，发射规定数目的波形；优选所述始化参数中设定的发射波形个数为10～30个；

步骤3，风速风向处理器从波形发射开始计时；

步骤4，当接收计时达到初始化参数中设定的计时长度时，停止接收，寻找波形到达时刻，并记录达到时间，得到第一超声波换能器A到第二超声波换能器B和第三超声波换能器C的波形传输时间，得到一个时间差TA；

步骤5，当收发转换模块切换计时达到初始化切换计时参数值时，关闭发射模块与第一超声波换能器A的连接，开启发射模块与第二超声波换能器B的连接，关闭接收模块与第二超声波换能器B和第三超声波换能器C的连接，开启接收模块与第一超声波换能器A和第三超声波换能器C的连接，重复第2步至第4步，得到第二超声波换能器B到第一超声波换能器A和第三超声波换能器C的波形传输时间，得到一个时间差TB；

步骤6，当收发转模块切换计时再次达到初始化切换计时参数值时，关闭发射模块与第二超声波换能器B的连接，开启发射模块与第三超声波换能器C的连接，关闭接收模块与第一超声波换能器A和第三超声波换能器C的连接，开启接收模块与第一超声波换能器A和第二超声波换能器B的连接，重复第2步至第4步，得到第三超声波换能器C到第一超声波换能器A和第二超声波换能器B的波形传输时间，得到一个时间差TC；

步骤7，重复第1步至第6步的步骤，使其形成不断轮换的周期；

步骤8，根据上述7步采集的数据，计算得出风速和风向。

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