二维超声波风速风向测量方法

摘要

本发明公开了一种二维超声波风速风向测量方法，即采用四个具有超声波收发功能的超声波探头，两两相对构成超声波探头对TDew和TDsn，各超声波探头对中的两个超声波探头分别发送和接收超声波信号，分别测量获取探头接收到来自对方的超声波传播延迟时间，TDsn超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tsn和Tns，TDew超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tew和Twe，依据测量的超声波传播延迟时间，以及该超声波探头对中相对的两个探头的间距，测量计算得到当前的二维风速风向。本方法可以对测量二维的风速风向进行精确计算，适应恶劣环境下风速风向测量。

主权项

一种二维超声波风速风向测量方法，其特征在于：采用四个具有超声波收发功能的超声波探头，两两相对构成两个超声波探头对TDew和TDsn，各超声波探头对中的两个超声波探头分别发送和接收超声波信号，分别测量获取探头接收到来自对方的超声波传播延迟时间，TDsn超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tsn和Tns，TDew超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tew和Twe，依据测量的超声波传播延迟时间，以及该超声波探头对中相对的两个探头的间距，得到：d/Tsn = C + Vs             (1)d/Tns = C – Vs             (2)d/Tew = C + Ve             (3)d/Twe = C – Ve             (4)式（1）至式（4）中d为各超声波探头对中两个超声波探头之间的距离，C为当前的声速，Vs为当前风速在TDsn超声波探头对方向上的分量，Ve为当前风速在TDew超声波探头对方向上的分量,从式（1）和式（2）得到：Vs = d/2(1/Tsn‑1/Tns)       （5）从式（3）和式（4）得到：Ve = d/2(1/Tew‑1/Twe)      （6）通过式（5）和式（6），从而测量计算得到当前的二维风速风向；各超声波探头对测量获取探头接收到来自对方的超声波传播延迟时间Tsn、Tns、Tew和Twe包括如下步骤：步骤一、用TDsn 超声波探头对和TDew超声波探头对中的两个超声波探头相互测量接收来自于对方发送的超声波；步骤二、对接收到的超声波信号进行模数转换；步骤三、对转换后的超声波数字信号进行平滑滤波处理；步骤四、对经平滑滤波处理后的超声波信号通过希尔伯特黄变换，确定超声波信号的包络线；步骤五、将包络线数据经过高斯混合模型进行数据拟合，得到数据拟合曲线的高斯混合模型数学表达式：（7）式（7）中，y(x)表示包络线数据拟合后的数值，x表示超声波波形的位置信息，x 取值为1、2、….. n，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3分别为比例系数，步骤六、确定数学表达式（7）中超声波启振点即曲率最大值点的位置，从而确定超声波传播延迟时间Tsn、Tns、Tew、Twe，通过式（7）的比例系数a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3，确定y(x)取最大值时所对应的x值，记为Xmax；然后分别计算出y(x)对x的一阶导数和二阶导数，分别用y1(x)和y11(x)表示，再根据式（8）的数学表达式，在X取1‑Xmax范围内，计算所有的K(x)值并找出最大的K(x)值所对应的x值，记为Xsm，Xsm即为超声波启振点曲率最大值点的位置，将Xsm除以原始信号的采样频率就得到超声波探头对中超声波传播延迟时间Tsn、Tns、Tew、Twe；K(x) = | y11(x) | / (1 + y1(x) * y1(x) )^3/2       (8)式（8）中K(x)为不同的x所对应的曲率值 。