[发明专利]反射式超声波风速风向仪及其测量方法

权利要求书

1.一种反射式超声波风速风向仪，包括探头安装座(1)、超声波探头(21、22、23、24)、支架(3)和反射面(4)四个部分；所述探头安装座(1)上固定有四个所述超声波探头(21、22、23、24)，所述四个超声波探头(21、22、23、24)分为两组，分别布置于正交的两个轴线上，探头两两相对，所述超声探头(21、22、23、24)的发射方向与探头安装座(1)的平面呈45度夹角，所述超声波探头(21、22、23、24)的相位中心距离是其距离反射面(4)的距离的两倍，使超声波信号经过反射面(4)反射可到达对面的超声波探头(21、22、23、24)的相位中心；支架(3)包括四根，安装于所述超声波探头(21、22、23、24)相位中心组成的圆环之外；反射面(4)底部为平面，顶部为球面。

2.根据权利要求1所述的反射式超声波风速风向仪，其特征在于，所述四个超声波探头(21、22、23、24)均为收发一体、余振时间短、接收灵敏度高和辐射方向性弱的类型。

3.根据权利要求1所述的反射式超声波风速风向仪，其特征在于，所述超声波探头(21、22、23、24)的发射脉冲具有一定的波瓣宽度。

4.根据权利要求3所述的反射式超声波风速风向仪，其特征在于，所述超声波探头(21、22、23、24)的发射脉冲的波瓣宽度超过14度。

5.根据权利要求1所述的反射式超声波风速风向仪，其特征在于，还包括：发射接收模块(25)、计时模块(26)和控制及数据处理模块(27)，每一个超声波探头(21、22、23、24)都对应一个发射接收模块(25)，所述控制及数据处理模块(27)控制发射接收模块(25)，使一个超声波探头(21、22、23、24)发射超声波信号及对应的另一个超声波探头(21、22、23、24)接收超声波信号；发射接收模块(25)在启动发射超声波信号的同时，触发计时模块(26)开始计时，在超声波信号经过反射面(4)反射后到达对应的超声波探头(21、22、23、24)后，发射接收模块(25)触发计时模块(26)停止计时；控制及数据处理模块(27)记录本次测量时间并复位发射接收模块(25)和计时模块(26)；控制及数据处理模块(27)在获得某一方向上超声波往返时间后，进行下一方向的测量，所有方向上超声波往返时间测量完成即构成一个测量周期，在一个测量周期结束后，控制及数据处理模块(27)计算出各个方向上的风速分量，通过矢量合成，求出风速值和风向值。

6.一种如权利要求1所述的反射式超声波风速风向仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.各超声波探头(21、22、23、24)依次发射超声波信号，其对面的超声波探头(21、22、23、24)接收由反射面(1)反射的信号，从而依次测量出各超声波探头(21、22、23、24)的超声波信号传播时间；

B.循环测量，不断分别计算出两个正交轴线方向上的超声波信号传播时差；

C.对测量得到的时差数据进行最小二乘平滑滤波处理；

D.根据滤波后的时差数据计算出各个方向上的风速分量，利用矢量合成的方法，求出风速值和风向值。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述最小二乘平滑滤波处理包括以下步骤：

C1.初始化：

设定初始测量矩阵x(0)＝0和初始权值向量w(0)＝0；

设定初始C矩阵C(0)＝δ^-1I，δ为一个很小的正实数，I为单位对角阵；

C2.滤波迭代：

获取当前时差数据测量值d(n)和前一个测量矩阵x(n)；

更新增益矢量μ(n)＝x^T(n)·C(n-1)·x(n)，

计算其中λ为遗忘因子，0＜λ≤1；

更新权值向量w(n)＝w(n-1)+g(n)·[d(n)-x^T(n)·w(n-1)]；

计算时差数据滤波输出

更新C矩阵C(n)＝λ^-1[C(n-1)-g(n)·x^T(n)·C(n-1)]。