[发明专利]一种超声波风速风向测量方法

说明书

本发明公开了一种超声波风速风向测量方法，该方法首先建立十字交叉的超声波风速测量装置，然后采集换能器发射信号和相对应换能器接收信号的时间数据，基于风速和角度补偿计算正交路径超声波测风仪的风速和风向，缩小风速和风向测量值和实际值的误差。本发明解决超声波测风仪换能器阴影效应带来误差使风速风向测量精度降低的问题，极大的提高测量数据的精确性。

技术领域

本发明属于风向和风向的测量方法，具体涉及一种超声波风速风向测量方法。

背景技术

风速测量在工农业生产科学实验中都有广泛的应用，尤其是在气象领域，风是气象要素中最活跃的要素之一。风速测量仪器发展迅速，测量手段与方法日益丰富，这其中包括近年来快速发展的超声波测风法。

超声波测风仪被广泛应用在风速测量中，但超声波测风仪因自身结构测量方式的弊端，超声波探头会对风的前进路线产生阻挡，在探头后面产生一片阴影区,在风速的正常测量过程中产生很大的测量误差。随着对风速测量精度要求的提高，在超声测风仪中换能器带来阴影效应对风速测量带来的误差影响必须解决。

目前在超声波换能器带来阴影效应和湍流方面的研究，国外的一些学者提出的一些思路很有价值。Kaimal首先讨论过，阴影效应是指沿着声学路径的换能器尾流中的速度不足，调查了有限路径长度和路径分离的影响方面取得的进展，认为超声波测风仪没有任何运动部件与流动达到动态平衡，因此它的频率响应仅受到沿路径平均线施加的空间滤波的限制，它对风速线性响应相对自由，测风仪其他速度成分有温度造成的干扰误差。Cuerva和Sanz-Andres设计的经典的超声测风仪模型其测量方式基于两个超声波换能器之间的超声脉冲的飞行时间。每个换能器作为发射器和接收器交替工作，在它们之间发送超声波脉冲。由超声波测风仪测量的风速由发送和接收过程期间的飞行时间的倒数之间的差确定Ghaemi-Nasab M进行风洞试验以获得用于校正由超声波风传感器测量的速度的校准模型，该方法建立测量路径的发射器和接收器之间的超声信号传播的物理过程的数学模型，比仅考虑直线路径传播的现有技术模型更先进。

上述现有研究在路径风速补偿上有着一定的效果，但在超声波测风仪的应用中还缺少高精度的方向解决阴影效应的问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超声波风速风向测量方法，解决超声波测风仪换能器阴影效应带来误差使风速风向测量精度降低的问题。

技术方案：一种超声波风速风向测量方法，所述方法包括基于风速和角度补偿计算正交路径超声波测风仪的风速和风向，步骤如下：

(1)设置超声波风速测量装置并记录数据，所述超声波风速测量装置包括两条互相垂直的路径，数据包括从东南西北四个方向超声波换能器发射时相对超声波换能器接收到信号的时间，分别记为t_x,t_-y,t_-x,t_y；t_x对应从东发射西接收；

(2)根据测量装置建立数学坐标系：设东西方向为x坐标轴方向，东为x轴正；南北方向为y坐标轴方向，南为y轴正，风速为V，风向角定义为与x轴夹角为θ；

(3)根据时差法计算风速，其风速的计算表达式如下：

式中，U为时差法计算得到风速，L为相对两超声波换能器之间的距离；

(4)时差法计算风向角θ_s，其风向角的计算公式如下：

(5)计算补偿后的风向角θ，计算表达式如下：

其中，

φ＝-0.1560θ³+0.7406θ²-1.1284θ+0.5381