[发明专利]光纤式二维风速/风向测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于风速/风向测量、数字图像处理等技术领域。主要适用于环境、气象、军 事、科研等领域。

背景技术

目前用于风速测量的主要方式包括热式、旋转式、超声式和压差式等。热式风速仪 的原理是被电流加热的导体(如金属线、电阻等)放置在气流中，气流会带走被加热导 体表面的热量，而导体散热率与风速的平方根成比例，从而实现对风速的测量。市场上 常见的风杯风速表、桨叶风速表均使用旋转式测风技术，基本原理是风杯及桨叶的旋转 速度与风速成一定的比例，通过将风杯和桨叶的旋转速度转换成电信号实现对风速的测 量。超声式风速仪采用一对对射的超声换能器，利用顺风与逆风两种情况下超声传播的 渡越时间差实现对风速的测量。皮托管式风速计属于压差式风速测量，它在流动面的正 面有与之形成直角方向的小孔，内部藏有从各自孔里分别提取压力的细管。通过测试其 压力差(前者为全压、后者为静压)，就可计算出风速。随着CMOS技术的发展，在半 导体材料上用扩散方法形成电阻，利用半导体的压阻效应感受风压，也可实现对微风速 的测量。

从市场占有率看，热式风速仪最高，此种风速仪价格相对较低，可测量较小风速， 但热式风速仪的功耗相对较大。旋转式风速仪主要用于气象观测，测量精度相对较低， 不太适合对微弱风速的测量。超声式风速仪的测量范围较宽，精度较高，但价格相对较 高。压差式风速仪适合对较大风速的测量，精度低，市场占有率不高。

以上所提的风速测量方式均不能直接实现对风向的测量。在超声式的风速仪中，若 有两对超声换能器，则可实现对二维风向的测量。在气象观测上，风向标是一种应用最 广泛的测量风向仪器的部件，由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。在风的作用下，尾翼 产生旋转力矩使风向标转动，并不断调整指向杆指示风向。

通过对国内外期刊论文、会议论文、国内学位论文、国内专利的检索，发现如下的 几个专利申请使用了计算机视觉或图像处理用于风速或风向的测量：

专利“基于全方位视觉的三维风速风向测量装置”(申请人：汤一平，庞成俊，陆海 峰等，申请号：200710071151.6)给出一种基于全方位视觉的三维风速、风向测量装置， 在水平和垂直方向均安装风杯和风标用于检测风速和风向。全方位的视觉传感器包括外 凸折反射镜面、用以防止光折射和光饱和的黑色圆锥体、透明圆柱体和用于拍摄外凸反 射镜面上成像的摄像头。通过图像识别与风杯和风标相连的指针和风向方位块上颜色达 到测量风速和风向的目的。专利“基于计算机视觉的智能风速风向测量装置”(申请人： 汤一平，庞成俊，陆海峰等，申请号：200710070675.3)给出了一种基于计算机视觉的智 能风速风向测量装置。该两个专利利用风杯和风标感知风速和风向，通过颜色识别来测 量风速/风向，需要采集和识别彩色图像，对测量装置和图像处理技术要求较高，从而成 本也比较高。

专利“同步双成像云底风速测量方法”(申请人：马舒庆，申请号：200910301973.8) 给出了一种同步双成像云底风速测量方法，该方法使用相隔一定距离的两个图像采集器 同时拍摄云的同一区域，然后纯粹使用图像处理的方法测量云底的风速。该方法应用条 件是天空必须有云，且测量的风速是云底高度的风速，存在测量条件的限制，且测量误 差较大。

专利“测量大气平均风速风向的图像漂移速度法”(申请人：黄宏华，姚永帮，朱文 越等，申请号：200610097683.2)公开了一种利用图像漂移速度法测量传输光路上横向 平均风速和风向的方法。在施密特-卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，目 标的入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜， 经五角棱镜倒光后光束进入四棱锥光楔分光，再经成像透镜，成像于面阵CCD传感器 上，这样可以得到同一目标的四个像；所得图像可以两两组合成六组不同基线的图像对。 利用图像到达角运动速度结构函数，在得到四个方向上的图像到达角运动漂移速度结构 函数后，根据它们之间的数学关系得到传输光路上横向平均风速和风向。该方法存在测 量装置复杂和测量技术难以实现的缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种结构简单、造价低、功耗小、 灵敏度高、体积适中的风速/风向测量装置，能够实现对二维平面上的瞬时和一段时间内 的平均风速和风向的测量，其中风速的范围在0-5m/s，风向0-360°。为此，本发明采 用如下的技术方案：