一种基于超声回波信号的风速风向测量方法及测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，包括如下步骤：步骤S1：将单片机生成的激励信号转换成超声波探测信号；步骤S2：多个方向的超声波探测器交替发送超声波探测信号，以及接收回波信号；步骤S3：采用基于包络重心的回波时间点计算对应方向回波信号的实际回波时间；步骤S4：根据回波信号的实际回波时间计算每个方向的分速度，利用矢量合成方法计算合速度和风向。本发明专利技术一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，与现有方法相比，所采用的包络重心计算回波时间点的方法可以不受信号幅度波动的影响，具有算法简单稳定性高，测量精度高的优点。测量精度高的优点。测量精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声回波信号的风速风向测量方法及测量系统


[0001]本专利技术涉及超声波
，具体涉及一种基于超声回波信号的风速风向测量方法及测量系统。

技术介绍

[0002]超声测风速采用的主要是时差法，其原理在于：超声波在流体中的传播速度会随着流体的流动速度变化而变化，那么由于顺流和逆流情况下的传播时间不同，根据顺逆流时间差就可以建立时差和流体流速的关系，求取瞬时流量值。
[0003]因此精确地测量回波时间显得尤为重要。对于目前最为简单普遍的阈值比较法测量前沿，由于存在比较电压，这种方法会存在回波前沿到达至幅值大于比较电压之间的时间误差，而这个误差会因回波幅度大小而发生变化，从而会导致误差的不确定而无法进行补偿。而且，当回波信号出现缺波或陷波时，测出的时间将会滞后一个或多个周期，引起的误差则会相应地变大，计算出的流量值会出现更大的偏差。目前主流的回波时间算法包括阈值比较法、辅助阈值的电平比较法、自适应滤波器参数估计的方法以及互相关算法。
[0004]阈值比较法考虑设置一个阈值电平，当回波信号或其包络大于该电压时，则将其位置作为回波时间特征点。但由于存在比较电压，这种方法会存在回波前沿到达至幅值大于比较电压之间的时间误差，而这个误差会随回波信号的幅度大小而发生变化，从而导致误差的不确定而无法进行补偿。而且，在回波信号段出现陷波和缺波时，测出的时间将滞后一个周期，当出现更多的缺波或陷波，则会滞后更多的周期，引起的误差则会相应的变大，计算出流量值则会出现更大的偏差。
[0005]辅助阈值的电平比较法考虑对回波信号进行Hilbert变换，并在假定包络线起始部分与时间的增加呈线性关系的条件下，增设一个辅助阈值电平，通过两个阈值
‑
时间坐标，采用线性拟合的方式得出回波起始时间点，从而得出回波时间。但该方法受限较大，对于不是线性或近线性的包络，则需添设更多的辅助阈值电平，且得采用抛物线的拟合方式；最终的实验结果误差也在0.1ms的量级，远未达到本课题所要求的0.1us的精度要求。
[0006]自适应滤波器参数估计的方法该方法考虑将信号的时域延迟转化为频域上的滤波器参数设计，将激励信号通过一个自适应滤波器所得到的滤波信号与回波信号进行均方差迭代比较，均方差小于一个阈值后停止迭代，再通过此时滤波器参数反推出延迟时间即为在该阈值误差下的回波时间。该方法理论上可以做到高精度，但当缺波和陷波发生在前两个振荡周期时，该方法误差会达到5％以上，精度远远不够，所以还需对其进行改进。
[0007]互相关算法考虑将模板回波信号与实采样回波信号进行互相关卷积处理，将处理后的波形进行包络检波，得到幅值最大点对应的时间即为回波时间。其优点在于该方法理论上精度能达到ADC采样的最小误差，可以达到0.1us量级甚至更低，且对于噪声免疫性强，缺波和陷波也对结果影响不大；但该方法使用了模板，对每一个探头都需要重新进行模板采样，而且使用的是卷积算法，资源占用高，计算量大，故还需考虑进行简化。
[0008]因此，上述几种主流的回波时间算法存在计算量大，硬件结构复杂，同时容易受到
噪声干扰测量精度的问题。

技术实现思路

[0009]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于超声回波信号的风速风向测量方法及测量系统，旨在解决现有技术中常规的回波时间算法存在计算量大，硬件结构复杂，同时容易受到噪声干扰测量精度的问题。
[0010]本专利技术采取以下技术方案实现：
[0011]一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，包括如下步骤：
[0012]步骤S1：将单片机生成的激励信号转换成超声波探测信号；
[0013]步骤S2：多个方向的超声波探测器交替发送超声波探测信号，以及接收回波信号；
[0014]步骤S3：采用基于包络重心的回波时间点计算对应方向回波信号的实际回波时间；
[0015]步骤S4：根据回波信号的实际回波时间计算每个方向的分速度，利用矢量合成方法计算合速度和风向。
[0016]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0017]进一步地，所述步骤S2中将多个超声波探测器按照互成九十度的方向间隔设置。
[0018]进一步地，所述步骤S3中采用基于包络重心的回波时间点计算对应方向回波信号的实际回波时间的具体过程如下：
[0019]S31：计算回波信号的相关特征值，采用线性拟合法拟合得到波形包络；
[0020]S32：计算波形包络的重心；
[0021]S33：采集超声波探测信号的发送时间和接收回波包络重心的时间点，计算实际回波时间；
[0022]S34：结合信道延迟，对实际回波时间进行优化，计算理论回波时间。
[0023]进一步地，所述步骤S31中计算回波信号波形的相关特征值，采用线性拟合法拟合得到波形包络，具体包括：
[0024]S311：计算波形平均值，将波形平均值向上平移四至六个数据点；
[0025]S312：根据波形平均值，结合波形特性获取上升过零点和下降过零点；
[0026]S313：根据上升过零点和下降过零点的中点计算峰值点坐标；
[0027]S314：根据上升过零点、下降过零点和峰值点坐标，采用线性拟合法拟合得到波形包络。
[0028]进一步地，所述步骤S34结合信道延迟，对实际回波时间进行优化，计算理论回波时间，具体包括：
[0029]S341：根据零风速状况，标定信道延迟；
[0030]S342：对每个方向的实际回波时间，去除对应方向的信道延迟，计算得到理论回波时间。
[0031]进一步地，步骤S32中计算波形包络的重心的具体过程为：建立回波信号的上包络函数，根据上包络函数计算包络重心，
[0032][0033]其中：f(x)表示上包络函数，x
c
表示包络重心，x表示时间点的坐标。
[0034]进一步地，所述步骤S4根据回波信号的回波时间计算每个方向的分速度，利用矢量合成方法计算合速度和风向，具体包括：
[0035]S41：建立关于X轴和Y轴的二维坐标系，分别计算X轴和Y轴方向的分速度，
[0036][0037][0038]其中：t
RW
表示X轴上超声波探测器A收到超声波探测信号回波的时间，t
Re
表示X轴上超声波探测器B收到超声波探测信号回波的时间，t
Rn
表示X轴上超声波探测器C收到超声波探测信号回波的时间，t
Rs
表示X轴上超声波探测器D收到超声波探测信号回波的时间，L表示超声波探测信号的路径长度，u表示超声波探测信号的风速，θ表示超声波探测信号的发射角；
[0039]S42：将X轴和Y轴的分速度利用矢量合成法计算合速度和风向角，
[0040][0041][0042]其中：u表示合速度，α表示风向角。
[0043]一种基于超声回波信号的风速风向测量系统，包括：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于：包括如下步骤；步骤S1：将单片机生成的激励信号转换成超声波探测信号；步骤S2：多个方向的超声波探测器交替发送超声波探测信号，以及接收回波信号；步骤S3：采用基于包络重心的回波时间点计算对应方向回波信号的实际回波时间；步骤S4：根据回波信号的实际回波时间计算每个方向的分速度，利用矢量合成方法计算合速度和风向。2.根据权利要求1所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于：所述步骤S2中将多个超声波探测器按照互成九十度的方向间隔设置。3.根据权利要求2所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于，所述步骤S3中采用基于包络重心的回波时间点计算对应方向回波信号的实际回波时间的具体过程如下：S31：计算回波信号的相关特征值，采用线性拟合法拟合得到波形包络；S32：计算波形包络的重心；S33：采集超声波探测信号的发送时间和接收回波包络重心的时间点，计算实际回波时间；S34：结合信道延迟，对实际回波时间进行优化，计算理论回波时间。4.根据权利要求3所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于，所述步骤S31中计算回波信号波形的相关特征值，采用线性拟合法拟合得到波形包络，具体包括：S311：计算波形平均值，将波形平均值向上平移四至六个数据点；S312：根据波形平均值，结合波形特性获取上升过零点和下降过零点；S313：根据上升过零点和下降过零点的中点计算峰值点坐标；S314：根据上升过零点、下降过零点和峰值点坐标，采用线性拟合法拟合得到波形包络。5.根据权利要求4所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于，所述步骤S34结合信道延迟，对实际回波时间进行优化，计算理论回波时间，具体包括：S341：根据零风速状况，标定信道延迟；S342：对每个方向的实际回波时间，去除对应方向的信道延迟，计算得到理论回波时间。6.根据权利要求5所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春国，唐晓明，钟成林，
申请(专利权)人：山东睿斯达智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：