带温度修正的三维超声波测风仪的测量方法

摘要

本发明公开了一种带温度修正的三维超声波测风仪及其测量方法。所述超声波测风仪，包括多个具有超声波收发功能的超声波探头，其特征在于：其中一半的探头位于一个水平面内，另一半的探头位于另一个水平面内，且两个水平面与同一个垂直面垂直相交；一个水平面内的每一个探头，与另一个水平面内相应的探头组成一对超声波探头，相互收发，安装时每一对探头的发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面。该测风仪采用新的阵列布设方式和信号处理模式，利用温度传感器进行声速的修正，可以对三维风速进行精确测量。

主权项

一种三维超声波测风仪的测量方法，所述三维超声波测风仪，包括多个具有超声波收发功能的超声波探头，其中一半的探头位于一个水平面内，另一半的探头位于另一个水平面内，且两个水平面与同一个垂直面垂直相交；一个水平面内的每一个探头，与另一个水平面内相应的探头组成一对超声波探头，相互收发，安装时每一对探头的发射面相互平行，且其中心连线垂直于两个发射面；所述的测风仪包括6个探头，按照以下方式进行布设：其中探头1、探头2、探头3位于一个水平面内，呈等边三角形；探头4、探头5、探头6位于另一个水平面内，呈等边三角形；且两个水平面与同一个垂直面垂直相交，其中探头1、探头3、探头4、探头5位于同一个垂直面内，呈长方形，探头1、探头2、探头5、探头6位于同一个垂直面内，呈长方形，探头2、探头3、探头4、探头6位于同一个垂直面内，呈长方形；所述的三维超声波测风仪，其中探头1、探头4为一对，探头2、探头5为一对，探头3、探头6为一对；所述测风仪的电路模块包括：超声波模块、收发切换电路、发射驱动电路、回波放大电路、主控制器以及温度传感器检测电路；所述超声波模块中由所述6个探头构成阵列，按照所述的方式进行布设；收发切换电路控制信号的收/发状态；发射驱动电路对产生的六路发射信号分别进行驱动放大；回波放大电路对接收到的回波信号进行放大；主控制器进行运算和控制；温度传感器检测电路检测环境温度，实现对声速的修正，所述测风仪使用修正后的声速进行风速风向的计算；所述回波放大电路中包括：六路前置放大电路、N选1选择电路、带通滤波器、门限比较器；其中六路前置放大电路首先对接收到的回波信号进行放大，送入N选1选择电路，然后进入带通滤波器进行处理，接着进入门限比较器，门限比较器输出送入主控制器求取检测时间值；所述三维超声波测风仪的测量方法，包括下述步骤：步骤一：探头1发送超声波信号，探头4接收信号，测量超声波探头1到探头4的收发时间TR14；步骤二：探头2发送超声波信号，探头5接收信号，测量超声波探头2到探头5的收发时间TR25；步骤三：探头3发送超声波信号，探头6接收信号，测量超声波探头3到探头6的收发时间TR36；步骤四：探头4发送超声波信号，探头1接收信号，测量超声波探头4到探头1的收发时间TR41；步骤五：探头5发送超声波信号，探头2接收信号，测量超声波探头5到探头2的收发时间TR52；步骤六：探头6发送超声波信号，探头3接收信号，测量超声波探头6到探头3的收发时间TR63；步骤七：通过温度传感器测量温度，根据温度对声速进行修正；步骤八：根据修正后的声速c值和TR14、TR25、TR36、TR41、TR52、TR63计算径向风速；步骤九：对径向风速进行矢量合成，求得风的三维分量，输出测量结果；所述步骤七中通过温度传感器测量温度，根据温度对声速进行修正包括：系统启动以后，开始温度的测量，等待一小段时间后读取温度信息，计算温度值t，再由温度与声速的关系式c＝331+0.6t，计算温度修正后的声速c；所述步骤八中计算径向风速包括：设u，v，w为东、北、垂直方向的风速，c为温度修正后的声速，超声波传播距离为L，其与垂直线的夹角为θ，在每一个径向上采用倒数法和时差法分别计算，其中倒数法为：$\left\{\begin{array}{c}w=\frac{-L\cos \theta }{2}(\frac{1}{\mathrm{TR}36}-\frac{1}{\mathrm{TR}63})\\ u=\frac{-L\sin \theta }{2}(\frac{1}{\mathrm{TR}36}-\frac{1}{\mathrm{TR}63})\end{array}\right.$时差法为：$\left\{\begin{array}{c}w=c·\cos \theta \frac{\mathrm{TR}36-\mathrm{TR}63}{\mathrm{TR}36+\mathrm{TR}63}\\ u=-c·\sin \theta \frac{\mathrm{TR}36-\mathrm{TR}63}{\mathrm{TR}36+\mathrm{TR}63}\end{array}\right.$通过同一径向方向的测量时间不同，可通过倒数法和时差法分别求得一组u，v，w；时差法在风速较低时引入的误差相对较小，但其计算与声速c有关；倒数法与声速c无关，在风速较大时使用，相对误差较小；两种方法结合使用；设定一个风速大小的阈值η，当某一径向方向的速度大于阈值η时，选用倒数法求得的径向分量作为该方向上的测量结果，否则就选用时差法求得的值作为测量结果，从而得到最终的u，v，w值；所述步骤九中计算径向风速包括：w为垂直风速，u，v合成水平风速vel和风向ang；其中$\mathrm{vel}=\sqrt{u^2+v^2},$当v≠0时，设$\mathrm{ang}0=\mathrm{arctg}\left|\frac{u}{v}\right|,$If u≥0 and v＞0，ang＝ang0；If u≥0 and v＜0，ang＝180°‑ang0；If u＜0 and v＜0，ang＝180°+ang0；If u＜0 and v＞0，ang＝360°‑ang0；If u＞0 and v＝0，ang＝90°；If u＜0 and v＝0，ang＝270°；风向ang的值介于0～360°，表示从正北方向顺时针旋转到水平风方向的夹角。