一種多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)及測(cè)量方法，特別設(shè)及一種多輸入多輸出陣列式超 聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)及測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，與傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀相比較，超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)有：無(wú)啟動(dòng)風(fēng) 速限制，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可適應(yīng)全天侯天氣，沒(méi)有機(jī)械磨損、不易腐蝕，使用壽命長(zhǎng)、精度 高、智能化、高可靠性，安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)及校正簡(jiǎn)便等；其不僅可W滿足軍事領(lǐng)域的氣象測(cè)風(fēng) 需求，而且在民用上也有很多的用途，例如在氣候氣象、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)、風(fēng)力發(fā)電氣象監(jiān)測(cè)、 橋梁隧道、汽車(chē)高速公路、航海船舶和航空機(jī)場(chǎng)等方面有相當(dāng)好的應(yīng)用前景，另外也可W作 為一個(gè)小型的氣象站，應(yīng)用前景非常廣泛。
[0003] 現(xiàn)有的超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)超聲波的傳播方式可分為直射式和反射式，直射式 超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)比較典型的有發(fā)明專利"超聲波風(fēng)速儀及運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向的方 法（申請(qǐng)?zhí)枺?00810101288.6)"所提出的四臂、二維超聲波風(fēng)速儀，和發(fā)明專利"一種風(fēng)電 場(chǎng)=維超聲波風(fēng)速溫度檢測(cè)系統(tǒng)及其測(cè)量方法（申請(qǐng)?zhí)枺?01310081265.4)"所提出的六 臂、=維超聲波風(fēng)速儀；反射式超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)比較典型的有發(fā)明專利"反射式超聲波風(fēng)速 風(fēng)向儀及其測(cè)量方法（申請(qǐng)?zhí)枺?01110175615. 4)"所提出的反射式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀。
[0004] 實(shí)際使用中，直射式測(cè)量方法存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一是傳感器支架結(jié)構(gòu)一致性難 W保證，二是接收端聲波信號(hào)強(qiáng)度受風(fēng)速變化影響較大；而反射式測(cè)量方法存在的問(wèn)題是 儀器結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響較大，容易在儀器的傳感器所在面與反射面形成的測(cè)量腔內(nèi)形成禍 流，特別是在風(fēng)速較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)在使用過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題 而提供的一種多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明提供的多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)包括有安裝座、數(shù)個(gè)超聲波傳感 器、固定支架、反射半球和控制及處理電路板，其中數(shù)個(gè)超聲波傳感器設(shè)在安裝座的頂面， 固定支架的下端固定在安裝座上，反射半球設(shè)在固定支架的上端，控制及處理電路板設(shè)在 安裝座內(nèi)，控制及處理電路板與數(shù)個(gè)超聲波傳感器連接并控制數(shù)個(gè)超聲波傳感器的工作。
[0007] 數(shù)個(gè)超聲波傳感器呈"L"型等邊布設(shè)，相鄰的超聲波傳感器間距相等，每個(gè)超聲波 傳感器與反射半球之間的仰角均為45°。
[000引反射半球?yàn)榘肭蛐畏瓷涿妗?br>[0009] 控制及處理電路板為印刷電路板，用于控制和驅(qū)動(dòng)各超聲波傳感器的接收和發(fā) 送，W及對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，得到風(fēng)速和風(fēng)向信息；控制及處理電路板包括；與超聲波傳 感器數(shù)量對(duì)應(yīng)的收發(fā)模塊、放大濾波模塊、AD采樣模塊、控制及數(shù)據(jù)處理模塊和通信接口； 其中各收發(fā)模塊與對(duì)應(yīng)的超聲波傳感器連接，用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器和接收反射回來(lái)的超 聲反射信號(hào)，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，輸出的超聲反射信號(hào)輸入到放大濾 波模塊，放大濾波模塊的輸出端與AD采樣模塊連接，AD采樣模塊的輸出端與控制及數(shù)據(jù)處 理模塊連接，控制及數(shù)據(jù)處理模塊的作用是控制系統(tǒng)的運(yùn)行、對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到風(fēng) 速風(fēng)向和與外部?jī)x器儀表進(jìn)行通信，控制及數(shù)據(jù)處理模塊為高性能的微處理器；通信接口 用于系統(tǒng)與外部的儀器儀表之間的數(shù)據(jù)交換，為RS-232或RS-485或RS-422串行通信接 P。
[0010] 本發(fā)明提供的多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)的測(cè)量方法，其具體方法如下所述：
[0011] 第一步、系統(tǒng)上電后，控制及數(shù)據(jù)處理模塊依次向數(shù)個(gè)收發(fā)模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依 次驅(qū)動(dòng)數(shù)個(gè)超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖束，其中一側(cè)的超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖束 時(shí)，另一側(cè)的超聲波傳感器和中間的超聲波傳感器用于接收反射信號(hào)，總共可接收到數(shù)組 反射信號(hào)；中間的超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖束時(shí)，兩側(cè)的超聲波傳感器均用于接收反 射信號(hào)，總共可接收到數(shù)組反射信號(hào)，該些反射信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波模塊的放大和濾波后進(jìn) 入AD采樣模塊，AD采樣模塊將模擬量的反射信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的反射信號(hào)，再傳送到控制 及數(shù)據(jù)處理模塊中進(jìn)行處理；
[0012] 第二步、對(duì)第一步中測(cè)得的各組反射信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，處理方法如下；設(shè)反 射信號(hào)為s(n) (n = 1，2,……，腳，N為接收到的反射信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，從數(shù)字量反射信號(hào)的 第10個(gè)數(shù)據(jù)起，取該數(shù)據(jù)及其前9個(gè)數(shù)據(jù)共10個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為該數(shù)據(jù)，即；
[001 引 S(k) = [S(k)+S化-1)+......+S化-9)]/10,化=10，11，......，腳，
[0014] 該樣在一定程度上對(duì)信號(hào)進(jìn)行了平滑濾波處理；
[0015] 第=步、用發(fā)射信號(hào)與W上各組反射信號(hào)分別作互相關(guān)運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的互相關(guān) 函數(shù)，捜索互相關(guān)函數(shù)的最大值，最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)即為收發(fā)信號(hào)間的傳播時(shí)間，具體如 下：
[0016] 設(shè)發(fā)射信號(hào)為；x (n) = kiS (n+ni) +叫(n)，則接收信號(hào)可表示為；y (n)= k2S(n+n2)+ri2(n)，式中ki、k2為衰減因子，n i、ri2為延遲時(shí)間，s(n)為信號(hào)，n 1 (n)、ri2(n)為0 均值高斯白噪聲，對(duì)收發(fā)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算可得到其相關(guān)函數(shù)為：
[0017]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于：包括有安裝座、數(shù)個(gè)超聲波 傳感器、固定支架、反射半球和控制及處理電路板，其中數(shù)個(gè)超聲波傳感器設(shè)在安裝座的頂 面，固定支架的下端固定在安裝座上，反射半球設(shè)在固定支架的上端，控制及處理電路板設(shè) 在安裝座內(nèi)，控制及處理電路板與數(shù)個(gè)超聲波傳感器連接并控制數(shù)個(gè)超聲波傳感器的工 作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于：所述 的數(shù)個(gè)超聲波傳感器呈"L"型等邊布設(shè)，相鄰的超聲波傳感器間距相等，每個(gè)超聲波傳感器 與反射半球之間的仰角均為45°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于：所述 的反射半球?yàn)榘肭蛐畏瓷涿妗?br>4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，其特征在于：所述 的控制及處理電路板為印刷電路板，用于控制和驅(qū)動(dòng)各超聲波傳感器的接收和發(fā)送，以及 對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，得到風(fēng)速和風(fēng)向信息；控制及處理電路板包括：與超聲波傳感器數(shù) 量對(duì)應(yīng)的收發(fā)模塊、放大濾波模塊、AD采樣模塊、控制及數(shù)據(jù)處理模塊和通信接口；其中各 收發(fā)模塊與對(duì)應(yīng)的超聲波傳感器連接，用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器和接收反射回來(lái)的超聲反射 信號(hào)，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，輸出的超聲反射信號(hào)輸入到放大濾波模塊， 放大濾波模塊的輸出端與AD采樣模塊連接，AD采樣模塊的輸出端與控制及數(shù)據(jù)處理模塊 連接，控制及數(shù)據(jù)處理模塊的作用是控制系統(tǒng)的運(yùn)行、對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到風(fēng)速風(fēng)向 和與外部?jī)x器儀表進(jìn)行通信，控制及數(shù)據(jù)處理模塊為高性能的微處理器；通信接口用于系 統(tǒng)與外部的儀器儀表之間的數(shù)據(jù)交換，為RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
5. -種多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)的測(cè)量方法，其具體方法如下所述： 第一步、系統(tǒng)上電后，控制及數(shù)據(jù)處理模塊依次向數(shù)個(gè)收發(fā)模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依次驅(qū) 動(dòng)數(shù)個(gè)超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖束，其中一側(cè)的超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖束時(shí)， 另一側(cè)的超聲波傳感器和中間的超聲波傳感器用于接收反射信號(hào)，總共可接收到數(shù)組反射 信號(hào)；中間的超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖束時(shí)，兩側(cè)的超聲波傳感器均用于接收反射信 號(hào)，總共可接收到數(shù)組反射信號(hào)，這些反射信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波模塊的放大和濾波后進(jìn)入AD 采樣模塊，AD采樣模塊將模擬量的反射信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的反射信號(hào)，再傳送到控制及數(shù) 據(jù)處理模塊中進(jìn)行處理； 第二步、對(duì)第一步中測(cè)得的各組反射信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，處理方法如下：設(shè)反射信 號(hào)為S(n)(n= 1，2,……，N)，N為接收到和反射信號(hào)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，從數(shù)字量反射信號(hào)的第10 個(gè)數(shù)據(jù)起，取該數(shù)據(jù)及其前9個(gè)數(shù)據(jù)共10個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為該數(shù)據(jù)，即： S(k) = [S(k)+S(k-1)+......+S(k-9)]/10,（k= 10,11，......，N)， 這樣在一定程度上對(duì)信號(hào)進(jìn)行了平滑濾波處理； 第三步、用發(fā)射信號(hào)與以上各組反射信號(hào)分別作互相關(guān)運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)， 搜索互相關(guān)函數(shù)的最大值，最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)即為收發(fā)信號(hào)間的傳播時(shí)間，具體如下： 設(shè)發(fā)射信號(hào)為：x(n) =kisOi+rO+1^(11)，則接收信號(hào)可表示為：y(n)=k2s(n+n2)+n2 (n)，式中ki、k2為衰減因子，n 為延遲時(shí)間，s(n)為信號(hào)，n: (n)、n2(n)為0 均值高斯白噪聲，對(duì)收發(fā)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算可得到其相關(guān)函數(shù)為：
由于噪聲之間、噪聲與信號(hào)之間均不相關(guān)，將x(n)、y(n)帶入上式，可化簡(jiǎn)為：
即最后所求的互相關(guān)函數(shù)不包含噪聲信息，可將噪聲過(guò)濾掉，由相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)知：Rxy (m) |彡Rxy (0)，即當(dāng)m= 時(shí)，Rxy (m)取最大值，而（r^-rii)At即為所求的時(shí)間差， At為AD采樣周期，是一個(gè)已知量，這樣控制及數(shù)據(jù)處理模塊求得對(duì)應(yīng)的Rxy (m)值后，對(duì)其 進(jìn)行搜索，其取得最大值時(shí)，記下此時(shí)的m值，此時(shí)的mAt即為所求收發(fā)信號(hào)間的傳播時(shí) 間；用同樣的方法可得到數(shù)個(gè)與各超聲波傳感器兩兩之間相對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間； 第四步、x軸上任意一個(gè)超聲波傳感器、y軸上任意一個(gè)超聲波傳感器和反射半球可構(gòu) 成一個(gè)測(cè)量面，通過(guò)間接時(shí)差法可計(jì)算出風(fēng)速在這個(gè)測(cè)量面上的分量VI，該風(fēng)速分量平行 于兩個(gè)超聲波傳感器之間的連線，間接時(shí)差法原理如下： 設(shè)聲速為C，順風(fēng)時(shí)超聲波的傳播速度為： VS21S28=C+V1 設(shè)超聲波傳播距離為d，超聲波由x軸上的超聲波傳感器傳播到y(tǒng)軸上的超聲波傳感器 的時(shí)間為：
逆風(fēng)時(shí)，超聲波的傳播速度為： VS28S21=C-V1 超聲波由y軸上的超聲波傳感器傳播到x軸上的超聲波傳感器的時(shí)間為：
第三步中已測(cè)得tl和t2,即可得到該測(cè)量面上的風(fēng)速分量為：
不重合的任意兩個(gè)測(cè)量面上風(fēng)速分量的合成都可得到一個(gè)合成風(fēng)速，根據(jù)精度要求選 擇要合成的風(fēng)速個(gè)數(shù)，再對(duì)這些合成風(fēng)速求平均值，就可得到實(shí)際風(fēng)速； 第五步、將上述的第一步至第四步循環(huán)進(jìn)行就能夠得到實(shí)時(shí)的風(fēng)速和風(fēng)向，控制及數(shù) 據(jù)處理模塊通過(guò)通信接口能夠?qū)崟r(shí)向外部?jī)x器儀表輸出風(fēng)速和風(fēng)向。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多輸入多輸出陣列式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)及測(cè)量方法，測(cè)風(fēng)系統(tǒng)包括有安裝座、數(shù)個(gè)超聲波傳感器、固定支架、反射半球和控制及處理電路板，其中數(shù)個(gè)超聲波傳感器設(shè)在安裝座的頂面，固定支架的下端固定在安裝座上，反射半球設(shè)在固定支架的上端，其具體方法為：第一步、系統(tǒng)上電后，數(shù)據(jù)處理模塊中進(jìn)行處理；第二步、進(jìn)行滑動(dòng)平均處理；第三步、分別作互相關(guān)運(yùn)算，第四步、x軸上任意一個(gè)超聲波傳感器、y軸上任意一個(gè)超聲波傳感器和反射半球可構(gòu)成一個(gè)測(cè)量面，第五步、將上述的第一步至第四步循環(huán)進(jìn)行就能夠得到實(shí)時(shí)的風(fēng)速和風(fēng)向，有益效果：不會(huì)形成渦流，接收信號(hào)穩(wěn)定；進(jìn)一步提高了風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的準(zhǔn)確性。
【IPC分類】G01P13-02, G01P5-24
【公開(kāi)號(hào)】CN104569484
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510039482
【發(fā)明人】朱蘭香, 梁亮, 谷雷, 張麗哲, 伊向超, 陳雷, 楊偉偉, 于楓, 王振, 石要武
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)春建筑學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月27日