一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法，属于超声波测风系统及方法。包括微处理器模块、信号发生器模块、锁相环、D触发器组、发送模块组、超声波换能器组、模拟多路开关、接收模块组、低噪声信号放大器、带通滤波器、差动放大器、AD采样模块。优点是通过锁相环实现参考信号四倍频，可以确保AD采样时钟信号与参考信号相位差为0，从而实现AD模块在发射信号一个周期内采样点相位位于参考信号0

【技术实现步骤摘要】
一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种超声波测风系统及方法，特别涉及一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法。

技术介绍

[0002]风作为一种活跃的气象要素，风速与风向的测量被广泛应用在军事、航空、航海、交通等国计民生的各个方面。在军事中，狙击手在进行远程射击时，仅仅在微风的影响下，就会使弹道完全偏移；在航空中，飞机起飞与降落时，须根据风速与风向来调整起飞与降落的方式。同时，在飞行过程中，也需要根据实时与风向进行航向的修正。在航海与交通中，风速与风向的测量对于航行与行驶的安全十分重要。另外，在风能的利用中，也需要保证风机的运行方向与风向的一致性。因此，风速与风向的高精度、宽范围测量具有十分重要的意义。
[0003]常用的测风技术有风杯式、皮托管式、热敏式、超声波式等。其中，超声波式测量方法以其结构简单、无启动风速限制、测量范围广、测量精度高、适用于各种野外极端环境等诸多优势，得到了人们的广泛关注和重视。目前，超声波测风仪器大多采用改进时差法，这种方法完全取决于超声波传播时间的测量精度。在一些复杂的环境下，超声波传播时间的测量将变得比较困难甚至失效，而对相位进行测量可以有效解决时间测量不准确的问题，但是由于传感器的结构与成本限制，其数据处理能力较弱，在采样数据较多时难以保证测量准确性和实时性。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法，以解决目前存在的采样数据数量多，呈非线性，导致微处理器计算量大、计算时间长影响测量准确性和实时性的问题。
[0005]本专利技术采取的技术方案是：包括微处理器模块、信号发生器模块、锁相环、D触发器组、发送模块组、超声波换能器组、模拟多路开关、接收模块组、低噪声信号放大器、带通滤波器、差动放大器、AD采样模块和与上位机通信模块，其中微处理器与信号发生器相连，信号发生器的输出端口一路与锁相环的参考信号端相连，锁相环的反馈回路由D触发器组构成，信号发生器模块与发送模块组相连，发送模块组与超声波换能器组相连，超声波换能器组与接收模块组相连，发送模块组和接收模块组的控制端与模拟多路开关相连，接收模块组的输出端经过低噪声信号放大器后输入到带通滤波器，带通滤波器输出端与差动放大器相连，差动放大器的输出端与AD采样模块的输入端相连，锁相环的输出端与AD采样模块的时钟信号端相连，AD采样模块的输出端连接至微处理器模块，微处理器模块和与上位机通信模块相连，用于输出所测得的风速、风向角和下达控制指令。
[0006]本专利技术一对平行的上反射板、下反射板构成的声学共振腔体，超声波换能器组嵌入下反射板内。
[0007]本专利技术所述发送模块组包括三个发送模块，超声波换能器组包括三个超声波换能器，接收模块组包括三个接收模块。
[0008]本专利技术所述三个超声波换能器外壳均为圆形，三个换能器的圆心连线构成一个等边三角形。
[0009]本专利技术所述D触发器组包括两个D触发器。
[0010]采用一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统的测风方法，包括下列步骤：
[0011]步骤一：系统上电，各模块初始化；
[0012]步骤二：微处理器控制信号发生器产生驱动信号经过各发送模块驱动超声波换能器组发射超声波信号，下反射板的超声波换能器组发射的超声波在两个反射极板之间发生多次反射，在声学共振腔体内形成共振现象，产生垂直于流体流动方向的驻波和垂直于驻波的行波；
[0013]步骤三：发送模块和接收模块的控制端均与模拟多路开关相连，微处理器控制模拟多路开关保证在任意时刻，三个超声波换能器组中仅有一个换能器发射超声波，其余两个换能器接收信号，三个换能器轮换发射一周，可获得三组接收数据；
[0014]步骤四：超声波换能器组在接收到超声波信号后，将声波信号转换为电信号，进入处理电路，处理电路包括低噪声信号放大模块、带通滤波器、差动放大器和AD采样电路；
[0015]步骤五：将经过AD采样处理的信号输入到微处理器，在微处理器中设计双数字PSD，AD采样模块和双数字PSD共同构成双PSD数字锁相放大器，对采样结果进行互相关运算求得相位差θ，随后采用改进时差法计算风速，并对风速风向进行矢量合成；
[0016]步骤六：将计算结果通过与上位机通信模块上传，之后返回步骤二，如此循环得到不同时刻的风速与风向角。
[0017]本专利技术所述步骤四中具体处理如下：
[0018]微处理器控制信号发生器产生的驱动信号一路驱动各超声波换能器依次发射超声波：
[0019]s(t)＝A sin(ωt)
[0020]式中A为发射超声波的幅值，ω为发射超声波的角速度；
[0021]超声波换能器接收到的超声波信号为：
[0022]s'(t)＝A'sin[ω(t+Δt)]+n(t)＝A'sin(ωt+θ)+n(t)
[0023]式中A
′
为接收超声波的幅值，Δt为接收信号与发射信号之间的时差，θ为接收信号与发射信号之间的相位差，n(t)为噪声；
[0024]接收到的超声波信号经过低噪声信号放大模块和带通滤波器后输入差动放大器，差动放大器输出为：
[0025]s
″
+
(t)＝B sin(ωt+θ)
[0026]s
″
‑
(t)＝
‑
B sin(ωt+θ)
[0027]信号发生器产生的驱动信号另一路通过锁相环和以两个D触发器组成的四倍频电路，得到AD采样模块的参考时钟信号：
[0028]x
ad
(t)＝Csin4ωt
[0029]式中C为AD采样模块的参考时钟信号的幅值；
[0030]AD采样模块在上升沿获取数据流，在下降沿启动数据转换和传输，在一个周期内采样点分别在ωt＝0
°
、90
°
、180
°
、270
°
。
[0031]本专利技术步骤五中具体运算如下：
[0032]第一步：微处理器接收到来自AD采样模块传输的数据，在微处理器中进行如下运算：
[0033]x
out1
＝[s
″
+
(t)
‑
s
″
‑
(t)]×
A sinωt＝B sin(ωt+θ)
×
A sinωt
[0034]x
out2
＝[s
″
+
(t)
‑
s
″
‑
(t)]×
A cosωt＝B sin(ωt+θ)
×
A cosωt
[0035]因为AD采样过程在一个周期内采样点分别在ωt＝0
°
、90
°
、180
°
、270
°<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统，其特征在于：包括微处理器模块、信号发生器模块、锁相环、D触发器组、发送模块组、超声波换能器组、模拟多路开关、接收模块组、低噪声信号放大器、带通滤波器、差动放大器、AD采样模块和与上位机通信模块，其中微处理器与信号发生器相连，信号发生器的输出端口一路与锁相环的参考信号端相连，锁相环的反馈回路由D触发器组构成，信号发生器模块与发送模块组相连，发送模块组与超声波换能器组相连，超声波换能器组与接收模块组相连，发送模块组和接收模块组的控制端与模拟多路开关相连，接收模块组的输出端经过低噪声信号放大器后输入到带通滤波器，带通滤波器输出端与差动放大器相连，差动放大器的输出端与AD采样模块的输入端相连，锁相环的输出端与AD采样模块的时钟信号端相连，AD采样模块的输出端连接至微处理器模块，微处理器模块和与上位机通信模块相连，用于输出所测得的风速、风向角和下达控制指令。2.根据权利要求1所述的一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统，其特征在于：一对平行的上反射板、下反射板构成的声学共振腔体，超声波换能器组嵌入下反射板内。3.根据权利要求1或2所述的一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统，其特征在于：所述发送模块组包括三个发送模块，超声波换能器组包括三个超声波换能器，接收模块组包括三个接收模块。4.根据权利要求3所述的一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统，其特征在于：所述三个超声波换能器外壳均为圆形，三个换能器的圆心连线构成一个等边三角形。5.根据权利要求1或2所述的一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统，其特征在于：所述D触发器组包括两个D触发器。6.采用如权利要求1～5任一项所述的一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统的测风方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一：系统上电，各模块初始化；步骤二：微处理器控制信号发生器产生驱动信号经过各发送模块驱动超声波换能器组发射超声波信号，下反射板的超声波换能器组发射的超声波在两个反射极板之间发生多次反射，在声学共振腔体内形成共振现象，产生垂直于流体流动方向的驻波和垂直于驻波的行波；步骤三：发送模块和接收模块的控制端均与模拟多路开关相连，微处理器控制模拟多路开关保证在任意时刻，三个超声波换能器组中仅有一个换能器发射超声波，其余两个换能器接收信号，三个换能器轮换发射一周，可获得三组接收数据；步骤四：超声波换能器组在接收到超声波信号后，将声波信号转换为电信号，进入处理电路，处理电路包括低噪声信号放大模块、带通滤波器、差动放大器和AD采样电路；步骤五：将经过AD采样处理的信号输入到微处理器，在微处理器中设计双数字PSD，AD采样模块和双数字PSD共同构成双PSD数字锁相放大器，对采样结果进行互相关运算求得相位差θ，随后采用改进时差法计算风速，并对风速风向进行矢量合成；步骤六：将计算结果通过与上位机通信模块上传，之后返回步骤二，如此循环得到不同时刻的风速与风向角。7.根据权利要求6所述的一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统的测风方
法，其特征在于，所述步骤四中具体处理如下：微处理器控制信号发生器产生的驱动信号一路驱动各超声波换能器依次发射超声波：s(t)＝A sin(ωt)式中A为发射超声波的幅值，ω为发射超声波的角速度；超声波换能器接收到的超声波信号为：s'(t)＝A'sin[ω(t+
△
t)]+n(t)＝A'sin(ωt+θ)+n(t)式中A
′
为接收超声波的幅值，
△
t为接收信号与发射信号之间的时差，θ为接收信号与发射信号之间的相位差，n(t)为噪声；接收到的超声波信号经过低噪声信号放大模块和带通滤波器后输入差动放大器，差动放大器输出为：s”+
(t)＝B sin(ωt+θ)s”‑
(t)＝
‑
B sin(ωt+θ)信号发生器产生的驱动信号另一路通过锁相环和以两个D触发器组成的四倍频电路，得到AD采样模块的参考时钟信号：x
ad
(t)＝C sin4ωt式中C为AD采样模块的参考时钟信号的幅值；AD采样模块在上升沿获取数据流，在下降沿启动数据转换和传输，在一个周期内采样点分别在ωt＝0
°
、90
°
、180
°
、...

【专利技术属性】
技术研发人员：石屹然，潘向阳，符麟，齐金伟，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：