一种基于相位双频法的超声波风速风向测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于相位双频法的超声波风速风向测量系统及方法，属于风速风向检测技术领域。包括四个超声波探头，发射模块、接收模块、发射模拟开关模块、接收模拟开关模块、AD采样模块、微处理器模块和通信模块。优点是在拓宽了测量范围，在进行相位角的校正时，频率差的选择范围基于时间延迟的长短，只要满足超声波探头频率偏移范围内的风速均可有效测量提高了测量精度，解决了相位测量时n值不定带来的误差影响，同时消除了环境温湿度对测量结果的影响。的影响。的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相位双频法的超声波风速风向测量系统及方法


[0001]本专利技术属于风速风向检测
，具体涉及一种基于相位
‑
双频法的超声波风速风向测量系统及方法。

技术介绍

[0002]风作为一种活跃的气象要素，风速与风向的测量在航天航空、航海、交通、军事、发电等方面有着重要影响。在航天航空领域，低空的风切变对于飞机的安全起飞与安全着陆有着重大的影响；在航海领域中，需要对船只附近的风速风向进行准确的测量来保证安全问题；在交通方面，铁路运行的整个线路上，需要对风速风向进行实时的监控；在军事领域，不大的风速就会使炮弹的运行轨迹产生偏移；在发电方面，风力发电系统设计之初，设计人员应根据目标地点的风速和风向的历史数据来选择相应的风机。由此可见，对风速与风向进行精准测量的意义重大。
[0003]在风速风向测量技术中，常用的仪器有杯状风速仪、热敏风速仪和超声波测风仪等。杯状风速仪使用简单，但是其摩擦较大，仅适用于高风速测量；热敏风速仪精度较高，但是其受温度影响较大，仅适用于低风速测量；而超声速测风仪以其独有的测量范围宽、测量精度高、结构简单、抗振动等优点，成为了目前风速仪的主流发展方向。
[0004]目前，超声波测风方法大多采用直接时差法或间接时差法，而间接时差法使用较多的则是相位差法，但是相位测量中相位角的周期确定问题使得相位差法在应用中受到限制，此为现有相位差法测量风速风向的不足之处。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于相位双频法的超声波风速风向测量系统及方法，以解决现有基于相位差法的超声波测风系统存在的相位角周期确定问题。
[0006]本专利技术采取的技术方案是：包括四个超声波探头，发射模块、接收模块、发射模拟开关模块、接收模拟开关模块、AD采样模块、微处理器模块和通信模块，其中四个超声波探头采用正交布阵，四个超声波探头连接发射模拟开关模块的输出端以及接收模拟开关的输入端，发射模拟开关模块的输入端与发射模块的输出端相连，发射模块的输入端与微处理器模块相连，接收模拟开关模块的输出端与接收模块的输入端相连，接收模块的输出端连接到AD采样模块的输入端，AD采样模块的输出端与微处理器模块相连，微处理器模块与通信模块相连，用于输出所测得的风速与风向角和接收控制指令。
[0007]一种基于相位双频法的超声波风速风向测量方法，包括下列步骤：
[0008]步骤一：系统上电后，对各模块进行初始化；
[0009]步骤二：初始化完成后，微处理模块控制发射模拟开关模块依次选通四个超声波探头作为发射探头，每个发射探头依次发射两个不同频率超声波：
[0010]s1(t)＝A sinω1t
[0011]s2(t)＝A sinω2t
[0012]式中：A为发射超声波的幅值，ω1为第一次发射的超声波频率，ω2为第二次发射的超声波频率，ω1>ω2：
[0013]同时控制接收模拟开关模块选通与发射探头相对的超声波探头作为接收探头，其中选通的每个接收探头接收两次，由于测量过程较短，可认为测量过程中风速不变，故两次发射的超声波传播的时间相同，因此两次接收到的信号分别为：
[0014][0015][0016]式中：B为接收超声波的幅值，τ为超声波传播的时间，频率为ω1的接收超声波的相位角频率为ω2的接收超声波的相位角
[0017]将接收到的信号传递给AD采样模块进行模数转换，并将转换结果传递给微处理器模块并进行保存，共得到八组数字量的接收信号；
[0018]步骤三：采用互相关算法对相位进行估计，同时采用双频法解决估计相位的周期确定问题，得到四个超声波传播时间估计值：超声波在南北方向顺风时的传播时间
△
t1，超声波在南北方向逆风时的传播时间
△
t2，超声波在东西方向顺风时的传播时间
△
t3，超声波在东西方向逆风时的传播时间
△
t4；
[0019]步骤四：根据相对时差法可以得到两组正交的风速分量：步骤四：根据相对时差法可以得到两组正交的风速分量：
[0020]其中，v1为南北方向上的风速分量，v2为南北方向上的风速分量；
[0021]步骤五：通过正交矢量合成得到实际风速为：风向角为：
[0022]步骤六：将步骤五中的得到的风速和风向角通过通信模块输出，之后返回步骤二，如此循环得到不同时刻的风速与风向角。
[0023]本专利技术所述步骤三中当南北方向顺风时，具体算法如下：
[0024]对于南北方向上任意一组发射信号与接收信号，将其进行互相关运算可得：
[0025][0026]式中：E[
·
]表示期望，为南北方向顺风情况下接收到的超声波信号，i＝1,2为接收信号的相位角；
[0027]在微处理器模块内产生两个发射信号相移90
°
的信号，将此信号再次与接收信号进行互相关运算可得到：
[0028][0029]式中：s
′
i
(t)＝Acosω
i
t,i＝1,2为两个发射信号相移90
°
之后产生的信号；
[0030]由于实际计算时sin函数与cos函数均存在周期确定问题，因此值表示为：
[0031][0032][0033]式中：θ1与θ2分别表示频率ω1为ω2和的接收到超声波在0
‑
2π之间的相位角；
[0034]其中，θ1与θ2可通过i＝1,2求得。
[0035]因此
[0036]θ1‑
θ2＝(ω1‑
ω2)
△
t1‑
2(n1‑
n2)π
[0037]由于|θ1‑
θ2|<2π，所以n1‑
n2属于非负整数，所以只需要限定(ω1‑
ω2)
△
t<2π，
△
t＝
△
t1or
△
t2or
△
t3or
△
t4，就可以通过校正θ1‑
θ2的值消除周期n值的影响，此时，θ1‑
θ2＝(ω1‑
ω2)
△
t1,(θ1‑
θ2>0)或者θ1‑
θ2＝(ω1‑
ω2)
△
t1‑
2π,(θ1‑
θ2<0)，则其中校正后的角度差(θ1‑
θ2)
′
的值为：
[0038][0039]故超声波的传播时间为：
[0040]本专利技术所述步骤三中，对于其中
△
t以及限定条件(ω1‑
ω2)
△
t<2π，设任意两个相对的超声波探头之间的距离为L，声速为C,测量风速在南北方向和东西方向上的风速分量的最大值为v
max
，根据时差法与不等式原则，此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于相位双频法的超声波风速风向测量系统，其特征在于：包括四个超声波探头，发射模块、接收模块、发射模拟开关模块、接收模拟开关模块、AD采样模块、微处理器模块和通信模块，其中四个超声波探头采用正交布阵，四个超声波探头连接发射模拟开关模块的输出端以及接收模拟开关的输入端，发射模拟开关模块的输入端与发射模块的输出端相连，发射模块的输入端与微处理器模块相连，接收模拟开关模块的输出端与接收模块的输入端相连，接收模块的输出端连接到AD采样模块的输入端，AD采样模块的输出端与微处理器模块相连，微处理器模块与通信模块相连，用于输出所测得的风速与风向角和接收控制指令。2.采用如权利要求1所述测量系统的一种基于相位双频法的超声波风速风向测量方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一：系统上电后，对各模块进行初始化。步骤二：初始化完成后，微处理模块控制发射模拟开关模块依次选通四个超声波探头作为发射探头，每个发射探头依次发射两个不同频率超声波：s1(t)＝Asinω1ts2(t)＝Asinω2t式中：A为发射超声波的幅值，ω1为第一次发射的超声波频率，ω2为第二次发射的超声波频率，ω1>ω2：同时控制接收模拟开关模块选通与发射探头相对的超声波探头作为接收探头，其中选通的每个接收探头接收两次，由于测量过程较短，可认为测量过程中风速不变，故两次发射的超声波传播的时间相同，因此两次接收到的信号分别为：的超声波传播的时间相同，因此两次接收到的信号分别为：式中：B为接收超声波的幅值，τ为超声波传播的时间，频率为ω1的接收超声波的相位角频率为ω2的接收超声波的相位角将接收到的信号传递给AD采样模块进行模数转换，并将转换结果传递给微处理器模块并进行保存，共得到八组数字量的接收信号；步骤三：采用互相关算法对相位进行估计，同时采用双频法解决估计相位的周期确定问题，得到四个超声波传播时间估计值：超声波在南北方向顺风时的传播时间
△
t1，超声波在南北方向逆风时的传播时间
△
t2，超声波在东西方向顺风时的传播时间
△
t3，超声波在东西方向逆风时的传播时间
△
t4；步骤四：根据相对时差法可以得到两组正交的风速分量：步骤四：根据相对时差法可以得到两组正交的风速分量：其中，v1为南北方向上的风速分量，v2为南北方向上的风速分量；步骤五：通过正交矢量合成得到实际风速为：风向角为：
步骤六：将步骤五中的得到的风速和风向角通过通信模块输出，之后返回步骤二，如此循环得到不同时刻的风速与风向角。3.根据权利要求2所述一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：石屹然，齐金伟，符麟，潘向阳，曲思凝，臧聚，李会敏，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：