一种环境自适应的超声测风系统技术方案

本发明专利技术公开了一种环境自适应超声测风系统，该系统包括：风向风速测量模块、中央处理模块、自恢复模块和雷电保护模块；其中，风向风速测量模块，用于依次发射超声信号得到校准飞行时间，发射超声信号得到测量飞行时间，并发送至中央处理模块；中央处理模块，用于定时启动风向风速测量模块，用于控制风向风速测量模块在自校准后进行风速和风向测量，用于计算得到风速和风向角，并按照固定格式输出；还用于控制自恢复模块工作以满足测试的温度和湿度条件；所述自恢复模块，用于测量环境温度、湿度和水汽指标输入中央处理模块，并启动加热模式以使得风向风速测量模块的温度、湿度和水汽指标满足测试条件；所述雷电防护模块，用于防止受到雷电破坏。到雷电破坏。到雷电破坏。

【技术实现步骤摘要】
一种环境自适应的超声测风系统


[0001]本专利技术涉及风速和风向测量
，具体涉及一种环境自适应的超声测风系统。

技术介绍

[0002]精确的测量地表平面的风速和风向数据，这在当今社会各个行业都有着非常广泛的需求，例如在天气预报上、军事上、航海上、体育运动上等等。传统机械式测风仪结构简单，技术成熟，多采用光电管方式或者磁编码方式测量风速风向，在风力发电、气象监测、铁路等行业应用广泛，但其存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题，不能长时间稳定可靠的工作于沙尘、冻雨等恶劣气候环境。
[0003]目前，随着超声技术的发展，超声测风技术也得到发展，超声波测风仪作为一种非接触式的测量仪器仪表，具有安装简单，不需要考虑机械磨损，维护方便，测量精度高，测量范围大的优点，这使得它被国内具有测风需求的各个行业所关注。由于对超声波测风的研究起步晚、技术不成熟、研发成本高等原因，国内厂家在超声波测风方面多处于仿制研发阶段，与国外还有较大差距。存在系统不稳定、霜雪等恶劣天气测量误差大的缺点，目前国内超声测风仪基本都采用温度补偿的方法来弥补超声波在空气中传播速度误差，在雷电、适应环境方面也较为薄弱，部分地区冬季较为寒冷，温度在0度以下，超声测风系统在低温下，存在因超声波换能器和反射面结冰导致测风仪无法正常工作的问题，南方部分地区雷电较多，野外湿度大等，也影响测风系统的稳定性和测量精度，因此研制一台测量精度高、产品性能好，电路简单，抗霜雪、防雷击等恶劣天气能力强的超声波测风系统具有重大的现实意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种环境自适应的超声测风系统。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提出了一种环境自适应超声测风系统，所述系统包括：风向风速测量模块、中央处理模块、自恢复模块和雷电保护模块；其中，
[0006]所述风向风速测量模块，用于在中央处理模块的控制下依次发射超声信号进行风速自校准得到校准飞行时间并发送至中央处理模块，发射超声信号进行风速测量得到测量飞行时间并发送至中央处理模块；
[0007]所述中央处理模块，用于定时启动风向风速测量模块工作，用于控制风向风速测量模块在自校准后发射超声信号进行风速和风向测量，用于根据校准飞行时间和测量飞行时间计算得到风速和风向角，并按照固定格式输出；还用于控制自恢复模块工作以满足测试的温度和湿度条件；
[0008]所述自恢复模块，用于测量环境的温度、湿度和水汽指标后输入中央处理模块，并在中央处理模块的控制下启动加热模式以使得风向风速测量模块的温度、湿度和水汽指标满足测试条件；
[0009]所述雷电防护模块，用于防止受到雷电破坏。
[0010]作为上述系统的一种改进，所述风向风速测量模块包括时间测量单元、发射驱动单元、通道选择单元、自校准单元、测风单元和接收单元；其中，
[0011]所述时间测量单元，用于在中央处理模块的控制下产生特定频率的脉冲信号并发送至发射驱动单元，用于根据校准回波信号计算得到校准飞行时间t
56
并发送至中央处理模块，还用于根据测量回波信号分别计算得到东西方向上的顺风时间t
12
、东西方向上的逆风时间t
21
、南北方向上的顺风时间t
34
和南北方向上的逆风时间t
43
，并分别发送至中央处理模块；
[0012]所述发射驱动单元，用于对脉冲信号的幅值进行放大并输入通道选择单元；
[0013]所述通道选择单元，用于在中央处理模块的控制下选择自校准单元和测风单元交替工作，用于选择测风单元从东西南北四个方向交替发射超声信号，用于接收自校准单元采集的校准回波信号输入时间测量单元；还用于接收测风单元采集的测量回波信号输入时间测量单元；
[0014]所述自校准单元，用于在固定距离内发射超声信号并将接收的校准回波信号输入通道选择单元；
[0015]所述测风单元，包括四个测量超声波探头和超声波反射挡板，其中，所述四个测量超声波探头均为收发一体式超声波探头，分别设置于东西南北四个位置，东部位置和西部位置的测量超声波探头互为收发状态，用于将接收的东西方向上的顺风和逆风的测量回波信号分别输入通道选择单元，南部位置和北部位置的测量超声波探头互为收发状态，用于将接收的南北方向上的顺风和逆风的测量回波信号分别输入通道选择单元；所述超声波反射挡板设置于四个测量超声波探头的上方；
[0016]所述接收单元，用于对接收的校准回波信号和测量回波信号分别进行放大滤波处理并输入时间测量单元。
[0017]作为上述系统的一种改进，所述自校准单元包括第一自校准超声波探头和第二自校准超声波探头，所述第一自校准超声波探头和第二自校准超声波探头正对设置，距离固定，所述第一自校准超声波探头为发射探头，所述第二自校准超声波探头为接收探头。
[0018]作为上述系统的一种改进，所述接收单元包括串联的限幅电路和信号处理电路；
[0019]其中，
[0020]所述限幅电路，用于对接收的回波信号进行幅度限制并输入信号处理电路；
[0021]所述信号处理电路包括串联的前级放大器和带通滤波电路；
[0022]所述前级放大器，用于对幅度限制的回波信号进行放大处理；
[0023]所述带通滤波电路，用于对放大的回波信号进行滤波处理并输入时间测量单元。
[0024]作为上述系统的一种改进，所述中央处理模块包括：自唤醒单元、测风及自校准控制单元、风速及风向计算单元和自恢复控制单元；其中，
[0025]所述自唤醒单元，用于定时启动风向风速测量模块和自恢复模块工作；
[0026]所述测风及自校准控制单元，用于控制自校准单元和测风单元依次工作；
[0027]所述风速及风向计算单元，用于根据时间测量单元输出的校准飞行时间t
56
计算得到校准风速，根据校准风速和东西方向上的顺风时间t
12
、东西方向上的逆风时间t
21
、南北方向上的顺风时间t
34
以及南北方向上的逆风时间t
43
，计算得到风速和风向，并按照固定格
式输出；
[0028]所述自恢复控制单元，用于根据自恢复模块测量的温度、湿度和水汽指标，进行判断，如果湿度大于等于70％或者温度低于10
°
或者检测到水珠，则启动自恢复模块的加热功能；如果湿度小于70％并且温度高于10
°
并且没有检测到水珠时，则停止自恢复模块的加热功能。
[0029]作为上述系统的一种改进，所述风速及风向计算单元的具体实现过程为：
[0030]对接收的东西方向上的顺风或逆风的测量回波信号以及南北方向上的顺风或逆风的测量回波信号分别进行离散小波变换；
[0031]采用db3小波对接收的东西方向上的顺风时间t
12
、东西方向上的逆风时间t
21
、南北方向上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环境自适应超声测风系统，其特征在于，所述系统包括：风向风速测量模块、中央处理模块、自恢复模块和雷电保护模块；其中，所述风向风速测量模块，用于在中央处理模块的控制下依次发射超声信号进行风速自校准得到校准飞行时间并发送至中央处理模块，发射超声信号进行风速测量得到测量飞行时间并发送至中央处理模块；所述中央处理模块，用于定时启动风向风速测量模块工作，用于控制风向风速测量模块在自校准后发射超声信号进行风速和风向测量，用于根据校准飞行时间和测量飞行时间计算得到风速和风向角，并按照固定格式输出，还用于控制自恢复模块工作以满足测试的温度和湿度条件；所述自恢复模块，用于测量环境的温度、湿度和水汽指标后输入中央处理模块，并在中央处理模块的控制下启动加热模式以使得风向风速测量模块的温度、湿度和水汽指标满足测试条件；所述雷电防护模块，用于防止受到雷电破坏。2.根据权利要求1所述的环境自适应超声测风系统，其特征在于，所述风向风速测量模块包括时间测量单元、发射驱动单元、通道选择单元、自校准单元、测风单元和接收单元；其中，所述时间测量单元，用于在中央处理模块的控制下产生特定频率的脉冲信号并发送至发射驱动单元，用于根据校准回波信号计算得到校准飞行时间t
56
并发送至中央处理模块，还用于根据测量回波信号分别计算得到东西方向上的顺风时间t
12
、东西方向上的逆风时间t
21
、南北方向上的顺风时间t
34
和南北方向上的逆风时间t
43
，并分别发送至中央处理模块；所述发射驱动单元，用于对脉冲信号的幅值进行放大并输入通道选择单元；所述通道选择单元，用于在中央处理模块的控制下选择自校准单元和测风单元交替工作，用于选择测风单元从东西南北四个方向交替发射超声信号，用于接收自校准单元采集的校准回波信号输入时间测量单元；还用于接收测风单元采集的测量回波信号输入时间测量单元；所述自校准单元，用于在固定距离内发射超声信号并将接收的校准回波信号输入通道选择单元；所述测风单元，包括四个测量超声波探头和超声波反射挡板，其中，所述四个测量超声波探头均为收发一体式超声波探头，分别设置于东西南北四个位置，东部位置和西部位置的测量超声波探头互为收发状态，用于将接收的东西方向上的顺风和逆风的测量回波信号分别输入通道选择单元，南部位置和北部位置的测量超声波探头互为收发状态，用于将接收的南北方向上的顺风和逆风的测量回波信号分别输入通道选择单元；所述超声波反射挡板设置于四个测量超声波探头的上方；所述接收单元，用于对接收的校准回波信号和测量回波信号分别进行放大滤波处理并输入时间测量单元。3.根据权利要求2所述的环境自适应超声测风系统，其特征在于，所述自校准单元包括第一自校准超声波探头和第二自校准超声波探头，所述第一自校准超声波探头和第二自校准超声波探头正对设置，距离固定，所述第一自校准超声波探头为发射探头，所述第二自校准超声波探头为接收探头。
4.根据权利要求2所述的环境自适应超声测风系统，其特征在于，所述接收单元包括串联的限幅电路和信号处理电路；其中，所述限幅电路，用于对接收的回波信号进行幅度限制并输入信号处理电路；所述信号处理电路包括串联的前级放大器和带通滤波电路；所述前级放大器，用于对幅度限制的回波信号进行放大处理；所述带通滤波电路，用于对放大的回波信号进行滤波处理并输入时间测量单元。5.根据权利要求2所述的环境自适应超声测风系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李松斌，袁名勇，刘鹏，林道友，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所南海研究站，
类型：发明
国别省市：