[发明专利]超声波风速风向测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于超声波测量领域，涉及一种超声波风速风向测量装置及测量方法。

背景技术

在风速风向测量方面，当前常用的仪器有翼状风速计、杯状风速计、热敏风速计和超声波测风仪等。翼状风速计和杯状风速计使用方便，但他们的机械摩擦阻力和惰性较大，只适用于测定风速较大的情况，对于一些需要测量较小风速的场合则无法试用；常用的机械式仪器因为存在很多的运动部件，所以均存在结构磨损、使用寿命不长、无法在恶劣环境下使用、维护成本高等缺点，此外，受到机械结构以及机械式测风仪器测量原理的限制，机械测风仪器的灵敏度也较低；热敏式风速仪由于自身测量原理的限制，受到环境温度影响较大，因此其适用场合有限；而现有的超声测风仪器大部分均采用的是基于时间差的测量方法，因此，超声测风仪器系统的测量精度完全取决于时间差的测量精度，常用的超声测风仪器采用的超声波传感器类型为对射式和反射式两种，对射式超声测风仪器机械机构较大，不利于安装使用，反射式超声测风仪器在测量精度方面会有一定的限制和误差，而且，超声测风仪器采用的超声波传感器均为收发一体的，这类传感器的市场价格较高，因此，超声测风仪器的成本也较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的超声波测风仪器成本较高、对射式仪器机械结构较大、反射式仪器精度有限的问题，提供了一种超声波风速风向测量装置及测量方法；尤其涉及一种利用超声波传感器阵列和阵列信号处理算法来实现风速风向测量的方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，结合附图说明如下：

一种超声波风速风向测量装置，包括超声波传感器阵列、A/D转换器组、上位机和显示器；

所述超声波传感器阵列由六个超声波传感器组成，六个超声波传感器中一个为发射超声波传感器，另外五个为接收超声波传感器；一个发射超声波传感器通过信号线与所述上位机相连，五个接收超声波传感器分别通过信号线与所述A/D转换器组中五个转换器相连；

所述显示器通过信号线与所述上位机相连。

技术方案中所述发射超声波传感器为0号超声波传感器，型号为MA40S4S；所述五个接收超声波传感器为1号超声波传感器～5号超声波传感器，型号为MA40B8S；1号～5号超声波传感器分别通过信号线与A/D转换器组中的1号A/D转换器～5号A/D转换器相连；0号～5号超声波传感器共地。

技术方案中所述0号超声波传感器～5号超声波传感器位于同一个水平面上，所述1号～5号超声波传感器均匀排列在一条直线上，每两个相邻超声波传感器之间间距为d；0号超声波传感器与5号超声波传感器的连线垂直于1号～5号超声波传感器排列的直线，且0号超声波传感器与5号超声波传感器的距离为4d；

所述1号A/D转换器～5号A/D转换器均相同。

一种超声波风速风向测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：上位机控制0号超声波传感器发射超声波信号，发射信号为S(t)，发送超声波频率f为200kHz；

步骤2：利用A/D转换器组对1号～5号超声波传感器接收到的信号进行采样，输入到上位机中进行算法运算；

步骤3：利用上位机控制显示模块，输出显示计算得到的实时风速风向值；

技术方案中所述步骤2中利用A/D转换器组对1号～5号超声波传感器接收到的信号进行采样，输入到上位机中进行算法运算的运算过程如下：

第一步：

得到接收数据X(t)的协方差矩阵R：

R＝E[X(t)X^H(t)] 式(1)

其中：H表示共轭转置；

X(t)为阵列接收信号矩阵，X(t)的形式如下：

X(t)＝[x₁(t),x₂(t)...x_N(t)]^T 式(2)

其中：T表示矩阵转置；

X(t)为x_i(t)的矢量形式；

x_i(t)为第i个阵元接收到的信号，i＝1～5，x_i(t)的形式如下：

式(3)

其中：s(t)为发射信号；

f为超声波频率；

n_i(t)为第i个传感器上的噪声；

τ_i为第i个阵元与基准阵元之间接收信号的时延差，τ_i的形式如下：

式(4)