专利名称：二维超声波风速风向测量方法
技术领域：
本发明涉及风速风向测量领域，尤其涉及一种二维超声波风速风向测量方法。
背景技术：
目前，常用的风速测量仪器有风杯风速仪、毕托管(或称皮托管)风速仪、热线热膜风速仪、超声波风速仪等。风杯风速仪一般由3— 4个半球形或抛物锥形的空心杯壳组成，杯壳固定在互成120°角的支架上或互成90°角的十字形支架的等长旋臂上。由于风杯风速仪的体积较大，转动惯性会引起迟滞效应，响应速度慢；且转动部件的存在产生磨损；容易受到恶劣天气的损害，沙尘和盐雾也会对其造成腐蚀；由于摩擦的存在，低于某个风速时将无法测量。毕托管风速仪属于单点、定长的接触式测量，测量风速时需要测量出流体的密度，而流体的密度随温度的变化而变化，其输出与风速的平方成正比，当风速较低时，产生的压差较小，风速较低时灵敏度较低，难以实现精确测量；不适合在烟尘气体的环境中进行风速的测量，使用受到一定的限制。
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热线热膜风速仪的工作原理是将一根长度远大于热风仪直径的细金属丝探针或敷于玻璃材料支架上的一层金属薄膜元件作为敏感元件放置在风场中，通过电流对金属丝或者金属薄膜加热。当风速变化时，金属丝或金属薄膜的温度也随之改变，从而改变其电阻值，得到与风速单调相关的输出信号。热线热膜风速仪不能测量风向，其属于接触式测量，探针会对被测流场流动产生一定扰动；同时由于加热丝存在被氧化和污染的问题，且热线容易断裂，所以需要对风速仪进行定期维护和校准；灵敏度随风速的增大而减小，具有明显的非线性，比较适合低风速的测量。超声波风速仪没有机械转动部件，不存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题，使用寿命长，重量轻；属于非接触式测量，基本上不干扰风场，无压力损失，对测量环境要求不高，适应范围广；安装维修方便等优点。传统的超声波风速风向测量大都采用对接收到的超声波信号进行整形成方波信号，然后计算出接收信号的延迟时间的方法；但该方法精度较低，难以满足风速风向的测量精度要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种二维超声波风速风向测量方法，本方法能够精确获得超声波的延迟时间，提高了风速风向测量精度和分辨率，提高测量设备的抗干扰能力，可以有效应用于气象、风电等领域的风速风向测量。为解决上述技术问题，本发明二维超声波风速风向测量方法采用四个具有超声波收发功能的超声波探头，两两相对构成两个超声波探头对TDew和TDsn，各超声波探头对中的两个超声波探头分别发送和接收超声波信号，分别测量获取探头接收到来自对方的超声波传播延迟时间，TDsn超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tsn和Tns，TDew超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tew和Twe，依据测量的超声波传播延迟时间，以及该超声波探头对中相对的两个探头的间距，得到: d/Tsn = C + Vs(I)
d/Tns = C - Vs(2)
d/Tew = C + Ve(3)
d/Twe = C - Ve(4)
式(I)至式(4)中d为各超声波探头对中两个超声波探头之间的距离，C为当前的声速，Vs为当前风速在TDsn超声波探头对方向上的分量，Ve为当前风速在TDew超声波探头对方向上的分量，
从式(I)和式(2)得到:Vs = d/2(l/Tsn-l/Tns)(5)
从式(3)和式(4)得到:Ve = d/2 (l/Tew-1/Twe)(6)
通过式(5)和式(6)，从而测量计算得到当前的二维风速风向。进一步,上述两个超声波探头对TDsn和TDew在同一个水平面成正交分布。进一步，上述两个超声波探头对TDsn和TDew中，面面相对的两个超声波探头间距相等。进一步，各超声波探头对测量获取探头接收到来自对方的超声波传播延迟时间Tsn、Tns、Tew和Twe包括如下步骤:
步骤一、用TDsn超声波探头对和TDew超声波探头对中的两个超声波探头相互测量接收来自于对方发送的超声波；
步骤二、对接收到的超声波信号进行模数转换；
步骤三、对转换后的超声波数字信号进行平滑滤波处理；
步骤四、对经平滑滤波处理后的超声波信号通过希尔伯特黄变换，确定超声波信号的包络线；
步骤五、将包络线数据经过高斯混合模型进行数据拟合，得到数据拟合曲线的高斯混合模型数学表达式:
权利要求
1.一种二维超声波风速风向测量方法，其特征在于:采用四个具有超声波收发功能的超声波探头，两两相对构成两个超声波探头对TDew和TDsn，各超声波探头对中的两个超声波探头分别发送和接收超声波信号，分别测量获取探头接收到来自对方的超声波传播延迟时间，TDsn超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tsn和Tns，TDew超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tew和Twe，依据测量的超声波传播延迟时间，以及该超声波探头对中相对的两个探头的间距，得到: d/Tsn = C + Vs(I) d/Tns = C - Vs(2) d/Tew = C + Ve(3) d/Twe = C - Ve(4) 式(I)至式(4)中d为各超声波探头对中两个超声波探头之间的距离，C为当前的声速，Vs为当前风速在TDsn超声波探头对方向上的分量，Ve为当前风速在TDew超声波探头对方向上的分量， 从式(I)和式(2)得到:Vs = d/2(l/Tsn-l/Tns)(5) 从式(3)和式(4)得到:Ve = d/2 (l/Tew-1/Twe)(6) 通过式(5)和式(6)，从而测量计算得到当前的二维风速风向。
2.根据权利要求1所述的二维超声波风速风向测量方法，其特征在于:所述两个超声波探头对TDsn和TDew在同一个水平面成正交分布。
3.根据权利要求2所述的二维超声波风速风向测量方法，其特征在于:所述两个超声波探头对TDsn和TDew中，面面相对的两个超声波探头间距相等。
4.根据权利要求1、2或3所述的二维超声波风速风向测量方法，其特征在于:各超声波探头对测量获取探头接收到来自对方的超声波传播延迟时间Tsn、Tns、Tew和Twe包括如下步骤: 步骤一、用TDsn超声波探头对和TDew超声波探头对中的两个超声波探头相互测量接收来自于对方发送的超声波； 步骤二、对接收到的超声波信号进行模数转换； 步骤三、对转换后的超声波数字信号进行平滑滤波处理； 步骤四、对经平滑滤波处理后的超声波信号通过希尔伯特黄变换，确定超声波信号的包络线； 步骤五、将包络线数据经过高斯混合模型进行数据拟合，得到数据拟合曲线的高斯混合模型数学表达式: y(x) = a\xe +a2x^ C'A ^alxe cS( ) 式(7)中，y(x)表示包络线数据拟合后的数值，x表示超声波波形的位置信息，X取值为 1、2、n，al、a2、a3、bl、b2、b3、cl、c2、c3 分别为比例系数， 步骤六、确定数学表达式(7)中超声波启振点即曲率最大值点的位置，从而确定超声波传播延迟时间Tsn、Tns、Tew、Twe, 通过式(7)的比例系数al、a2、a3、bl、b2、b3、cl、c2、c3,确定y (x)取最大值时所对应的x值，记为Xmax ;然后分别计算出y(x)对x的一阶导数和二阶导数，分别用yl (x)和yll(x)表示,再根据式(8)的数学表达式,在X取1-Xmax范围内，计算所有的K(x)值并找出最大的KU)值所对应的X值，记为Xsm，Xsm即为超声波启振点曲率最大值点的位置，将Xsm除以原始信号的采样频率就得到超声波探头对中超声波传播延迟时间Tsn、Tns、Tew,Twe ； K(x) = I yll(x) I / (I + yl(x) * yl (x) ) ~3/2(8) 式(8)中K (x)为不同的x所对应的曲率值。
全文摘要
本发明公开了一种二维超声波风速风向测量方法，即采用四个具有超声波收发功能的超声波探头，两两相对构成超声波探头对TDew和TDsn，各超声波探头对中的两个超声波探头分别发送和接收超声波信号，分别测量获取探头接收到来自对方的超声波传播延迟时间，TDsn超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tsn和Tns，TDew超声波探头对的超声波传播延迟时间为Tew和Twe，依据测量的超声波传播延迟时间，以及该超声波探头对中相对的两个探头的间距，测量计算得到当前的二维风速风向。本方法可以对测量二维的风速风向进行精确计算，适应恶劣环境下风速风向测量。
文档编号G01P5/24GK103245796SQ201210032490
公开日2013年8月14日 申请日期2012年2月14日 优先权日2012年2月14日
发明者温占锋, 胡文 申请人:上海安偌电子科技有限公司