一种超声波测风系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超声波测风系统及方法。该系统包括超声波换能器探头、电路板、底座和反射面，所述超声波换能器探头用于发射和接收具有设定波瓣宽度的脉冲信号，所述超声波换能器探头两两相对设置，所述两两相对设置的两个超声波换能器探头为一组，将两两相对的超声波换能器之间的连线记为连接线，所述系统中至少有两组的连接线相互垂直，所述每一组中的超声波换能器探头发出的超声波经过所述反射面的反射后均能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收，而且，只能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收。本发明专利技术提供的超声波测风系统及方法能够在保障测量结果的准确性的同时，实现测风系统的小型化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风速测量领域，特别是涉及一种超声波测风系统及方法。
技术介绍
为了满足我国海洋观测的发展需求，研制小型一体化自动气象站已刻不容缓。目前，自动气象站的超声波测风系统采用的测量方法多为时间差法，基于时间差测量方法的超声波测风系统，对于收发超声波信号的超声波换能器之间的距离有着一定的要求，距离越小，驱动超声波换能器发射超声波信号和接收到超声波回波信号之间的时间间隔越短，测量误差越大，直接影响着整个测风系统的测量性能。为了确保整体测风系统的测量精度和稳定性，目前市面上比较成熟的超声波测风系统采用时间差的测量方法，声程基本都在100mm以上，受测量原理本身的限制，基于时间差测量方法的超声波测风系统实现小型化有一定的难度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超声波测风系统及方法，能够在保障测量结果的准确性的同时，实现测风系统的小型化。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种超声波测风系统，所述系统包括：超声波换能器探头，所述超声波换能器探头用于发射和接收具有设定波瓣宽度的脉冲信号，所述超声波换能器探头的数量为多个，所述超声波换能器探头两两相对设置，所述两两相对设置的两个超声波换能器探头为一组，将两两相对的超声波换能器之间的连线记为连接线，所述系统中至少有两组的连接线相互垂直，所述每组中的两个超声波换能器探头之间相互发送和接收超声波信号；电路板，所述超声波换能器探头固定在所述电路板上，所述电路板以嵌入的方式安装在换能器安装板上；反射面，所述反射面与所述超声波探头相对设置，所述每一组中的超声波换能器探头发出的超声波经过所述反射面的反射后均能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收，而且，只能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收。可选的，所述超声波换能器探头的几何中心位于同一圆周上，所述超声波换能器探头的数量为四个，分别为第一超声波换能器探头、第二超声波换能器探头、第三超声波换能器探头和第四超声波换能器探头，所述第一超声波换能器探头与所述第二超声波换能器探头相对设置，所述第三超声波换能器探头与所述第四超声波换能器探头相对设置，第一连接线与第二连接线相垂直，所述第一连接线为所述第一超声波换能器探头与所述第二超声波换能器探头之间的连线，所述第二连接线为所述第三超声波换能器探头与所述第四超声波换能器探头之间的连线。可选的，所述系统还包括：支撑铜柱，所述支撑铜柱位于所述底座与所述换能器安装板之间，用于固定所述反射面，支撑换能器安装板；顶盖，所述顶盖与所述换能器安装板之间设置有第一传感器安装板，所述第一传感器安装板上安装有GPS模块和姿态校正模块；外部接线端，所述接线端包括电源线、地线、指令发送端和数据接收端，所述电源线和地线用于与外部电源相连接，所述指令发送端和所述数据接收端用于与用户应用控制平台相连接。可选的，所述系统还包括底座，所述底座的上表面设置有第二传感器安装板，所述第二传感器安装板上安装的传感器包括温度传感器、湿度传感器和气压传感器。可选的，所述电路板上设置有控制系统，所述控制系统包括微控制器模块、工作时序控制模块、超声波回波信号处理模块和信号判断模块，所述微控制器模块分别与所述工作时序控制模块、所述信号判断模块相连接，所述工作时序控制模块与所述超声波回波信号处理模块相连接，所述超声波回波信号处理模块与所述信号判断模块相连接。可选的，所述工作时序控制模块包括超声波信号发射驱动电路子模块、超声波回波信号接收通道开关控制电路子模块、超声波换能器，所述工作时序控制模块用于控制超声波换能器的工作状态和工作时序。可选的，所述超声波回波信号处理模块包括滤波放大电路子模块，所述滤波放大电路子模块由四个一阶带通滤波放大器耦合连接而成，所述超声波回波信号处理模块用于对超声波信号进行放大、滤波处理。可选的，所述信号判断模块包括比较电路子模块，所述信号判断模块用于将滤波放大后的超声波回波信号通过比较器进行数据转换并送至微控制器。本专利技术还提供了一种超声波测风方法，所述方法应用于如权利要求1所述超声波测风系统，所述方法包括：对于所述系统中相互垂直的两组超声波换能器探头，获取每个所述超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波信号的次数，得到接收频率；根据所述接收频率计算风速。可选的，所述根据所述接收频率计算风速与风向，具体包括：对于所述两组超声波换能器探头中的一组超声波换能探头，根据公式计算风速Vx，其中，c为超声波的传播速度，α为发射的超声波射到所述系统中的反射板的入射角度，fs为无风时超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波的次数，fr为测风速时所述超声波换能器探头单位时间内接收到的超声波的次数，Vx为所测风速沿所述一组超声波换能器探头中的超声波发射端到超声波接收端方向的风速分量；对于所述两组超声波换能器探头中的另一组超声波换能探头，根据公式计算风速Vy，其中，Vy为所测风速沿所述一组超声波换能器探头中的超声波发射端到超声波接收端方向的风速分量；将所述风速和所述风速根据公式进行矢量合成，得到所述所测风速。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：利用超声波换能器接收到的超声波回波信号频率不同来测量相应的风速，与传统的采用时间差法超声波测速相比，无需准确判断超声波回波信号的到达时刻，可以缩短收发超声波换能器之间的距离，从而实现整个测风系统的小型化，此外，本专利技术采用嵌入式的方法安装超声波换能器，保护超声波换能器探头，有效提高其抗干扰能力和稳定可靠性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例超声波测风系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例超声波测风系统超声波换能器探头安装位置示意图；图3为本专利技术实施例超声波测风方法流程图；图4为本专利技术实施例超声波测风系统风速测量原理示意图；图5为本专利技术实施例超声波测风系统风向确定原理示意图；图6为本专利技术实施例超声波测风系统的硬件构成示意图；图7为本专利技术实施例超声波测风系统主电路结构示意图；图8为本专利技术提供的微型自动海洋气象观测系统的硬件构成示意图；图9为GPS定位子系统的硬件电路设计图；图10为姿态校正子系统硬件电路设计图；图11为气温测量子系统硬件电路设计图；图12为气压测量子系统硬件电路设计图；图13为相对湿度测量子系统硬件电路设计图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种能够在保障测量结果的准确性的同时，实现测风系统的小型化的超声波测风系统及方法。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例超声波测风系统的结构示意图，如图1所示，测风系统包括：超声波换能器探头101、102、103、1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波测风系统，其特征在于，所述系统包括：超声波换能器探头，所述超声波换能器探头用于发射和接收具有设定波瓣宽度的脉冲信号，所述超声波换能器探头的数量为多个，所述超声波换能器探头两两相对设置，所述两两相对设置的两个超声波换能器探头为一组，将两两相对的超声波换能器之间的连线记为连接线，所述系统中至少有两组的连接线相互垂直，所述每组中的两个超声波换能器探头之间相互发送和接收超声波信号；电路板，所述超声波换能器探头固定在所述电路板上，所述电路板以嵌入的方式安装在换能器安装板上；反射面，所述反射面与所述超声波探头相对设置，所述每一组中的超声波换能器探头发出的超声波经过所述反射面的反射后均能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收，而且，只能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收。

【技术特征摘要】
1.一种超声波测风系统，其特征在于，所述系统包括：超声波换能器探头，所述超声波换能器探头用于发射和接收具有设定波瓣宽度的脉冲信号，所述超声波换能器探头的数量为多个，所述超声波换能器探头两两相对设置，所述两两相对设置的两个超声波换能器探头为一组，将两两相对的超声波换能器之间的连线记为连接线，所述系统中至少有两组的连接线相互垂直，所述每组中的两个超声波换能器探头之间相互发送和接收超声波信号；电路板，所述超声波换能器探头固定在所述电路板上，所述电路板以嵌入的方式安装在换能器安装板上；反射面，所述反射面与所述超声波探头相对设置，所述每一组中的超声波换能器探头发出的超声波经过所述反射面的反射后均能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收，而且，只能够被与所述超声波换能器探头同组中的另一超声波换能探头接收。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超声波换能器探头的几何中心位于同一圆周上，所述超声波换能器探头的数量为四个，分别为第一超声波换能器探头、第二超声波换能器探头、第三超声波换能器探头和第四超声波换能器探头，所述第一超声波换能器探头与所述第二超声波换能器探头相对设置，所述第三超声波换能器探头与所述第四超声波换能器探头相对设置，第一连接线与第二连接线相垂直，所述第一连接线为所述第一超声波换能器探头与所述第二超声波换能器探头之间的连线，所述第二连接线为所述第三超声波换能器探头与所述第四超声波换能器探头之间的连线。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：支撑铜柱，所述支撑铜柱位于所述底座与所述换能器安装板之间，用于固定所述反射面，支撑换能器安装板；顶盖，所述顶盖与所述换能器安装板之间设置有第一传感器安装板，所述第一传感器安装板上安装有GPS模块和姿态校正模块；外部接线端，所述接线端包括电源线、地线、指令发送端和数据接收端，所述电源线和地线用于与外部电源相连接，所述指令发送端和所述数据接收端用于与用户应用控制平台相连接。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括底座，所述底座的上表面设置有第二传感器安装板，所述第二传感器安装板上安装的传感器包括温度传感器、湿度传感器和气压传感器。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔佑迪，张鹏，王海涛，王斌，孙东波，赵辰冰，党超群，顾季源，王心鹏，门雅彬，刘宁，李永军，张锁平，
申请(专利权)人：国家海洋技术中心，
类型：发明
国别省市：天津;12