[发明专利]一种超声波测风仪及测风速方法

权利要求书

1.一种超声波测风仪，其特征在于：包括测风腔、微处理器、FPGA芯片、超声波换能器收发切换模块以及三个超声波换能器；

所述测风腔包括上平面和下平面，所述上平面与下平面之间的距离等于超声波半波长的整数倍，三个超声波换能器安装于所述上平面，超声波换能器发射的超声波能够在上平面与下平面之间来回反射形成驻波；

所述三个超声波换能器与所述超声波换能器收发切换模块连接，所述FPGA芯片控制超声波换能器收发切换模块完成接收和发射切换功能，实现超声波信号的时序发射以及记录超声波信号从发射到接收的飞行时间；所述微处理器控制FPGA芯片完成超声波收发切换、回波数据采集，并对FPGA芯片采集到的回波数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的超声波测风仪，其特征在于：所述三个超声波换能器呈等边三角形分布。

3.根据权利要求2所述的超声波测风仪，其特征在于：所述测风腔的上平面与下平面之间的距离等于超声波波长。

4.根据权利要求3所述的超声波测风仪，其特征在于：所述三个超声波换能器每两个组合成一对，三个超声波换能器两两组合成三对，三对超声波换能器轮流收发超声波信号。

5.根据权利要求4所述的超声波测风仪，其特征在于：所述三个超声波换能器包括A超声波换能器、B超声波换能器、C超声波换能器，A超声波换能器与B超声波换能器组成一对，B超声波换能器与C超声波换能器组成一对，C超声波换能器与A超声波换能器组成一对，每对超声波换能器按时间顺序发射超声波和接收超声波。

6.根据权利要求5所述的超声波测风仪，其特征在于：所述超声波换能器收发切换模块连接有换能器驱动电路以及回波接收电路，换能器驱动电路通过DAC数字模拟转换器与FPGA芯片连接，回波接收电路通过ADC模拟数字转换器与FPGA芯片连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述的超声波测风仪，其特征在于：所述测风腔的上平面和下平面呈圆形，所述上平面与下平面之间设置有六个连接柱，所述连接柱对称分布于圆形平面的边沿，所述连接柱包括三个空心柱。

8.根据权利要求7所述的超声波测风仪，其特征在于：还包括壳体，所述壳体包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体与上平面组成第一腔体，所述第二壳体与下平面组成第二腔体。

9.根据权利要求8所述的超声波测风仪，其特征在于：所述第二壳体的下端连接有底座，所述底座设置有六方扳手位和外螺纹，底座的底端连接有航空插头。

10.一种利用权利要求6所述的超声波测风仪的测风速方法，包括以下步骤：

步骤一：A超声波换能器发射超声波信号，B超声波换能器接收；FPGA从控制A超声波换能器发射超声波信号开始计时，到ADC采集到B超声波换能器回波信号为止计时结束，由此得到A超声波换能器发射的超声波信号到B超声波换能器的飞行时间t1；

步骤二：B超声波换能器发射，A超声波换能器接收；FPGA从控制B超声波换能器发射超声波信号开始计时，到ADC采集到A超声波换能器回波信号为止计时结束，由此得到B超声波换能器发射的超声波信号到A超声波换能器的飞行时间t2；

步骤三：根据公式Vw＝L*(t2-t1)/(2*t1*t2)，计算得出超声波换能器AB方向上的风速Vab；

步骤四：根据步骤一至步骤三的方法，同理得到超声波换能器BC、CA方向上的风速Vbc、Vca；

步骤五：根据步骤三和步骤四得到的风速Vab、Vbc、Vca，通过矢量合成，对Vab、Vbc、Vca求矢量和，矢量和的模即测量风速，矢量和的角度即风向；计算公式如下：

Vabx＝Vab*cos(30°)

Vaby＝Vab*sin(30°)

Vbcx＝Vbc*cos(30°)

Vbcy＝Vbc*sin(30°)

Vx＝Vabx+Vbcx

Vy＝Vaby+Vbcy+Vca

Vx是X方向的风速分量，Vy是Y方向的风速分量，风速V可以由Vx与Vy合成，Vx与Vy成90度夹角，风向D可以由三角函数关系得到：

V＝sqrt(Vx*Vx+Vy*Vy)

D＝acos(Vy/V))。