用于实时测量超低空段风的声探测系统

摘要

本发明公开了一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于包括：超声测风系统，收发分置声测风系统，以及将上述两系统测量数据通过融合处理给出1-20m风场剖面数据的基于风场建模的信息融合系统；所述超声测风系统包括：超声换能器阵列单元、超声发射单元、超声接收单元和控制计算单元；所述收发分置声测风系统包括：收发分置声测风相控阵天线和收发分置声测风主机。本发明采用一种创新的方法，运用高精度单点超声测风、收发分置声测风、基于风场建模的信息融合和数据综合处理技术，突破声测风最小高度限制，实现了20米以下风场全剖面实时测量。

主权项

一种用于实时测量超低空段风的声探测系统，其特征在于包括： 超声测风系统，收发分置声测风系统，以及将上述两系统测量数据通过融合处理给出1‑20m风场剖面数据的基于风场建模的信息融合系统； 所述超声测风系统包括： 用于发射、接收超声信号的超声换能器阵列单元； 用于向超声换能器阵列单元中的超声换能器提供高压驱动电压信号的超声发射单元； 用于对超声换能器阵列单元中的超声换能器接收到的信号进行放大和采集的超声接收单元； 以及通过控制超声发射单元和超声接收单元，实现控制超声换能器阵列单元依次进行发射、接收超声信号；并在一个周期后，采用相位差估算方法计算超声延时；然后采用时间倒数法计算风速，使用声虚温模型进行修正；最后通过时间累积，进行算术平均值、滑动平均值的计算，得出1m处单点三维风速和风向的控制计算单元； 所述收发分置声测风系统包括：收发分置声测风相控阵天线和收发分置声测风主机 所述收发分置声测风相控阵天线包括用于发射声波信号的发射阵元和用于接收声回波信号的接收阵元； 所述收发分置声测风主机包括： 用于完成发射信号的功率放大的功率放大模块； 用于完成收发分置声测风相控阵天线收发信号的控制的收发切换模块； 用于将回波信号进行前置放大、滤波和程控增益的回波信号预处理模块； 以及对接收的信号先进行剔除频率固定的发射信号；然后按照分层高度，分段进行处理；再按照回波信号按照高度层进行分段，对每一段数据作FFT分析，将每一个层面上的回波信号功率谱进行平均，在时域累积的基础上，重复上述过程，每当一组功率谱生成，即与上一组对应的谱线相加，后提取有用的 微弱回波信号；再通过波束成形算法改善信噪比，后提取出多普勒频移信号； W＝(V_rn+V_rs)/2cosθ 最后通过公式计算U＝(V_rzcosθ‑V_rw)/sinθ，得到五个径向方向不同层高上的风速， V＝(V_rzcosθ‑V_rs)/sinθ 其中V_rn为北方向波束径向方向的风速、V_re为东方向波束径向方向的风速、V_rs为南方向波束径向方向的风速、V_rw为西方向波束径向方向的风速、V_rz为垂直方向波束径向方向的风速，U、V、W分别代表风速矢量在东、北、垂直方向上的分量，θ为波束倾角，进而得出分层风向和垂直气流数据的DSP模块； 所述控制计算单元和收发分置声测风主机分别将，1m处风速和风向以及5‑20m分层风速和风向数据发送给基于风场建模的信息融合系统进行融合处理，具体过程如下：对平稳风场进行数学建模，将风速和风向随高度变化的统计规律由风场数学模型表达出来：首先采用固定高度上两分钟内测得的风速的均值建立准定常风直线模型，W_yb＝k*y+b，其中W_yb为准定常风，k为风速随高度增加的比例系数，b为地面风速，y为高度；然后用表示水平风速在给定高度上的切变强度并随高度呈线性变化；再通过计算五个方向上的风分量相对于一个周期内风速平均值的短暂的正、负偏差计算阵风，用W_d表示；再通过随机函数生成一个元素在0～1之间的均匀分布的随机数，表示无法事先预知的随机风，用W_r表示；最后，得出短时风场模型为W_M＝W_yb+W_n+W_d+W_r，获得1‑20m全剖面风廓线。