一種多輸入多輸出陣列式超聲測風系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種超聲測風系統(tǒng)，特別涉及一種多輸入多輸出陣列式超聲測風 系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 目前，與傳統(tǒng)的機械式風速風向儀相比較，超聲波測風系統(tǒng)的優(yōu)勢有：無啟動風 速限制，環(huán)境適應能力強，可適應全天侯天氣，沒有機械磨損、不易腐蝕，使用壽命長、精度 高、智能化、高可靠性，安裝簡單、維護及校正簡便等；其不僅可以滿足軍事領域的氣象測風 需求，而且在民用上也有很多的用途，例如在氣候氣象、城市環(huán)境監(jiān)測、風力發(fā)電氣象監(jiān)測、 橋梁隧道、汽車高速公路、航海船舶和航空機場等方面有相當好的應用前景，另外也可以作 為一個小型的氣象站，應用前景非常廣泛。
[0003] 現(xiàn)有的超聲波測風系統(tǒng)，根據(jù)超聲波的傳播方式可分為直射式和反射式，直射式 超聲波測風系統(tǒng)比較典型的有發(fā)明專利"超聲波風速儀及運用超聲波測量風速和風向的方 法（【申請?zhí)枴?00810101288. 6)"所提出的四臂、二維超聲波風速儀，和發(fā)明專利"一種風電 場三維超聲波風速溫度檢測系統(tǒng)及其測量方法（【申請?zhí)枴?01310081265. 4)"所提出的六 臂、三維超聲波風速儀；反射式超聲波測風系統(tǒng)比較典型的有發(fā)明專利"反射式超聲波風速 風向儀及其測量方法（【申請?zhí)枴?01110175615. 4) "所提出的反射式超聲波風速風向儀。
[0004] 實際使用中，直射式測量方法存在兩個主要問題：一是傳感器支架結(jié)構(gòu)一致性難 以保證，二是接收端聲波信號強度受風速變化影響較大；而反射式測量方法存在的問題是 儀器結(jié)構(gòu)對風場的影響較大，容易在儀器的傳感器所在面與反射面形成的測量腔內(nèi)形成渦 流，特別是在風速較大時，會導致較大的測量誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有的超聲波測風系統(tǒng)在使用過程中存在的諸多 問題而提供的一種多輸入多輸出陣列式超聲測風系統(tǒng)。
[0006] 本實用新型提供的多輸入多輸出陣列式超聲測風系統(tǒng)包括有安裝座、數(shù)個超聲波 傳感器、固定支架、反射半球和控制及處理電路板，其中數(shù)個超聲波傳感器設在安裝座的頂 面，固定支架的下端固定在安裝座上，反射半球設在固定支架的上端，控制及處理電路板設 在安裝座內(nèi)，控制及處理電路板與數(shù)個超聲波傳感器連接并控制數(shù)個超聲波傳感器的工 作。
[0007] 數(shù)個超聲波傳感器呈"L"型等邊布設，相鄰的超聲波傳感器間距相等，每個超聲波 傳感器與反射半球之間的仰角均為45°。
[0008] 反射半球為半球形反射面。
[0009] 控制及處理電路板為印刷電路板，用于控制和驅(qū)動各超聲波傳感器的接收和發(fā) 送，以及對接收信號進行處理，得到風速和風向信息；控制及處理電路板包括：與超聲波傳 感器數(shù)量對應的收發(fā)模塊、放大濾波模塊、AD采樣模塊、控制及數(shù)據(jù)處理模塊和通信接口； 其中各收發(fā)模塊與對應的超聲波傳感器連接，用于驅(qū)動超聲波傳感器和接收反射回來的超 聲反射信號，其驅(qū)動信號由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，輸出的超聲反射信號輸入到放大濾 波模塊，放大濾波模塊的輸出端與AD采樣模塊連接，AD采樣模塊的輸出端與控制及數(shù)據(jù)處 理模塊連接，控制及數(shù)據(jù)處理模塊的作用是控制系統(tǒng)的運行、對接收數(shù)據(jù)進行處理得到風 速風向和與外部儀器儀表進行通信，控制及數(shù)據(jù)處理模塊為高性能的微處理器；通信接口 用于系統(tǒng)與外部的儀器儀表之間的數(shù)據(jù)交換，為RS-232或RS-485或RS-422串行通信接
[0010] 本實用新型提供的多輸入多輸出陣列式超聲測風的測量方法，其具體方法如下所 述：
[0011] 第一步、系統(tǒng)上電后，控制及數(shù)據(jù)處理模塊依次向數(shù)個收發(fā)模塊發(fā)出驅(qū)動信號，依 次驅(qū)動數(shù)個超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖束，其中一側(cè)的超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖束 時，另一側(cè)的超聲波傳感器和中間的超聲波傳感器用于接收反射信號，總共可接收到數(shù)組 反射信號；中間的超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖束時，兩側(cè)的超聲波傳感器均用于接收反 射信號，總共可接收到數(shù)組反射信號，這些反射信號經(jīng)過放大濾波模塊的放大和濾波后進 入AD采樣模塊，AD采樣模塊將模擬量的反射信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的反射信號，再傳送到控制 及數(shù)據(jù)處理模塊中進行處理；
[0012] 第二步、對第一步中測得的各組反射信號進行滑動平均處理，處理方法如下：設反 射信號為s(n) (η = 1，2,……，Ν)，N為接收到的反射信號數(shù)據(jù)長度，從數(shù)字量反射信號的 第10個數(shù)據(jù)起，取該數(shù)據(jù)及其前9個數(shù)據(jù)共10個數(shù)據(jù)的平均值作為該數(shù)據(jù)，即：
[0013] S(k) = [S(k)+S(k-1)+......+S (k_9) ]/10,（k = 10,11，......，Ν)，
[0014] 這樣在一定程度上對信號進行了平滑濾波處理；
[0015] 第三步、用發(fā)射信號與以上各組反射信號分別作互相關運算，得到對應的互相關 函數(shù)，搜索互相關函數(shù)的最大值，最大值對應的時間點即為收發(fā)信號間的傳播時間，具體如 下：
[0016] 設發(fā)射信號為：x (n) = Ii1SOrHn1)+Ii1 (η)，則接收信號可表示為(η)= k2s (η+η2)+η2 (η)，式中Iipk2為衰減因子，n ^n2為延遲時間，s (η)為信號，n i (η)、η2(η)為0 均值高斯白噪聲，對收發(fā)信號進行互相關運算可得到其相關函數(shù)為：
[0017]
【主權項】
1. 一種多輸入多輸出陣列式超聲測風系統(tǒng)，其特征在于：包括有安裝座、數(shù)個超聲波 傳感器、固定支架、反射半球和控制及處理電路板，其中數(shù)個超聲波傳感器設在安裝座的頂 面，固定支架的下端固定在安裝座上，反射半球設在固定支架的上端，控制及處理電路板設 在安裝座內(nèi)，控制及處理電路板與數(shù)個超聲波傳感器連接并控制數(shù)個超聲波傳感器的工 作。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種多輸入多輸出陣列式超聲測風系統(tǒng)，其特征在于：所述 的數(shù)個超聲波傳感器呈"L"型等邊布設，相鄰的超聲波傳感器間距相等，每個超聲波傳感器 與反射半球之間的仰角均為45°。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種多輸入多輸出陣列式超聲測風系統(tǒng)，其特征在于：所述 的反射半球為半球形反射面。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種多輸入多輸出陣列式超聲測風系統(tǒng)，其特征在于：所述 的控制及處理電路板為印刷電路板，用于控制和驅(qū)動各超聲波傳感器的接收和發(fā)送，以及 對接收信號進行處理，得到風速和風向信息；控制及處理電路板包括：與超聲波傳感器數(shù) 量對應的收發(fā)模塊、放大濾波模塊、AD采樣模塊、控制及數(shù)據(jù)處理模塊和通信接口；其中各 收發(fā)模塊與對應的超聲波傳感器連接，用于驅(qū)動超聲波傳感器和接收反射回來的超聲反射 信號，其驅(qū)動信號由控制及數(shù)據(jù)處理模塊給出，輸出的超聲反射信號輸入到放大濾波模塊， 放大濾波模塊的輸出端與AD采樣模塊連接，AD采樣模塊的輸出端與控制及數(shù)據(jù)處理模塊 連接，控制及數(shù)據(jù)處理模塊的作用是控制系統(tǒng)的運行、對接收數(shù)據(jù)進行處理得到風速風向 和與外部儀器儀表進行通信，控制及數(shù)據(jù)處理模塊為高性能的微處理器；通信接口用于系 統(tǒng)與外部的儀器儀表之間的數(shù)據(jù)交換，為RS-232或RS-485或RS-422串行通信接口。
【專利摘要】本實用新型公開了一種多輸入多輸出陣列式超聲測風系統(tǒng)，包括有安裝座、數(shù)個超聲波傳感器、固定支架、反射半球和控制及處理電路板，其中數(shù)個超聲波傳感器設在安裝座的頂面，固定支架的下端固定在安裝座上，反射半球設在固定支架的上端，其具體方法為：第一步、系統(tǒng)上電后，數(shù)據(jù)處理模塊中進行處理；第二步、進行滑動平均處理；第三步、分別作互相關運算，第四步、x軸上任意一個超聲波傳感器、y軸上任意一個超聲波傳感器和反射半球可構(gòu)成一個測量面，第五步、將上述的第一步至第四步循環(huán)進行就能夠得到實時的風速和風向，有益效果：不會形成渦流，接收信號穩(wěn)定；進一步提高了風速風向測量的準確性。
【IPC分類】G01P13-02, G01P5-24
【公開號】CN204347059
【申請?zhí)枴緾N201520057102
【發(fā)明人】朱蘭香, 梁亮, 谷雷, 張麗哲, 伊向超, 陳雷, 楊偉偉, 于楓, 王振, 石要武
【申請人】長春建筑學院, 吉林大學
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月27日