專利名稱：二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)速風(fēng)向測量領(lǐng)域，尤其涉及一種二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法。
背景技術(shù)：
目前，常用的風(fēng)速測量儀器有風(fēng)杯風(fēng)速儀、畢托管(或稱皮托管)風(fēng)速儀、熱線熱膜風(fēng)速儀、超聲波風(fēng)速儀等。風(fēng)杯風(fēng)速儀一般由3— 4個半球形或拋物錐形的空心杯殼組成，杯殼固定在互成120°角的支架上或互成90°角的十字形支架的等長旋臂上。由于風(fēng)杯風(fēng)速儀的體積較大，轉(zhuǎn)動慣性會引起遲滯效應(yīng)，響應(yīng)速度慢；且轉(zhuǎn)動部件的存在產(chǎn)生磨損；容易受到惡劣天氣的損害，沙塵和鹽霧也會對其造成腐蝕；由于摩擦的存在，低于某個風(fēng)速時將無法測量。畢托管風(fēng)速儀屬于單點、定長的接觸式測量，測量風(fēng)速時需要測量出流體的密度，而流體的密度隨溫度的變化而變化，其輸出與風(fēng)速的平方成正比，當(dāng)風(fēng)速較低時，產(chǎn)生的壓差較小，風(fēng)速較低時靈敏度較低，難以實現(xiàn)精確測量；不適合在煙塵氣體的環(huán)境中進行風(fēng)速的測量，使用受到一定的限制。
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熱線熱膜風(fēng)速儀的工作原理是將一根長度遠大于熱風(fēng)儀直徑的細金屬絲探針或敷于玻璃材料支架上的一層金屬薄膜元件作為敏感元件放置在風(fēng)場中，通過電流對金屬絲或者金屬薄膜加熱。當(dāng)風(fēng)速變化時，金屬絲或金屬薄膜的溫度也隨之改變，從而改變其電阻值，得到與風(fēng)速單調(diào)相關(guān)的輸出信號。熱線熱膜風(fēng)速儀不能測量風(fēng)向，其屬于接觸式測量，探針會對被測流場流動產(chǎn)生一定擾動；同時由于加熱絲存在被氧化和污染的問題，且熱線容易斷裂，所以需要對風(fēng)速儀進行定期維護和校準(zhǔn)；靈敏度隨風(fēng)速的增大而減小，具有明顯的非線性，比較適合低風(fēng)速的測量。超聲波風(fēng)速儀沒有機械轉(zhuǎn)動部件，不存在機械磨損、阻塞、冰凍等問題，使用壽命長，重量輕；屬于非接觸式測量，基本上不干擾風(fēng)場，無壓力損失，對測量環(huán)境要求不高，適應(yīng)范圍廣；安裝維修方便等優(yōu)點。傳統(tǒng)的超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量大都采用對接收到的超聲波信號進行整形成方波信號，然后計算出接收信號的延遲時間的方法；但該方法精度較低，難以滿足風(fēng)速風(fēng)向的測量精度要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，本方法能夠精確獲得超聲波的延遲時間，提高了風(fēng)速風(fēng)向測量精度和分辨率，提高測量設(shè)備的抗干擾能力，可以有效應(yīng)用于氣象、風(fēng)電等領(lǐng)域的風(fēng)速風(fēng)向測量。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法采用四個具有超聲波收發(fā)功能的超聲波探頭，兩兩相對構(gòu)成兩個超聲波探頭對TDew和TDsn，各超聲波探頭對中的兩個超聲波探頭分別發(fā)送和接收超聲波信號，分別測量獲取探頭接收到來自對方的超聲波傳播延遲時間，TDsn超聲波探頭對的超聲波傳播延遲時間為Tsn和Tns，TDew超聲波探頭對的超聲波傳播延遲時間為Tew和Twe，依據(jù)測量的超聲波傳播延遲時間，以及該超聲波探頭對中相對的兩個探頭的間距，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為各超聲波探頭對中兩個超聲波探頭之間的距離，C為當(dāng)前的聲速，Vs為當(dāng)前風(fēng)速在TDsn超聲波探頭對方向上的分量，Ve為當(dāng)前風(fēng)速在TDew超聲波探頭對方向上的分量，
從式(I)和式(2)得到:Vs = d/2(l/Tsn-l/Tns)(5)
從式(3)和式(4)得到:Ve = d/2 (l/Tew-1/Twe)(6)
通過式(5)和式(6)，從而測量計算得到當(dāng)前的二維風(fēng)速風(fēng)向。進一步,上述兩個超聲波探頭對TDsn和TDew在同一個水平面成正交分布。進一步，上述兩個超聲波探頭對TDsn和TDew中，面面相對的兩個超聲波探頭間距相等。進一步，各超聲波探頭對測量獲取探頭接收到來自對方的超聲波傳播延遲時間Tsn、Tns、Tew和Twe包括如下步驟:
步驟一、用TDsn超聲波探頭對和TDew超聲波探頭對中的兩個超聲波探頭相互測量接收來自于對方發(fā)送的超聲波；
步驟二、對接收到的超聲波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
步驟三、對轉(zhuǎn)換后的超聲波數(shù)字信號進行平滑濾波處理；
步驟四、對經(jīng)平滑濾波處理后的超聲波信號通過希爾伯特黃變換，確定超聲波信號的包絡(luò)線；
步驟五、將包絡(luò)線數(shù)據(jù)經(jīng)過高斯混合模型進行數(shù)據(jù)擬合，得到數(shù)據(jù)擬合曲線的高斯混合模型數(shù)學(xué)表達式:
權(quán)利要求
1.一種二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于:采用四個具有超聲波收發(fā)功能的超聲波探頭，兩兩相對構(gòu)成兩個超聲波探頭對TDew和TDsn，各超聲波探頭對中的兩個超聲波探頭分別發(fā)送和接收超聲波信號，分別測量獲取探頭接收到來自對方的超聲波傳播延遲時間，TDsn超聲波探頭對的超聲波傳播延遲時間為Tsn和Tns，TDew超聲波探頭對的超聲波傳播延遲時間為Tew和Twe，依據(jù)測量的超聲波傳播延遲時間，以及該超聲波探頭對中相對的兩個探頭的間距，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為各超聲波探頭對中兩個超聲波探頭之間的距離，C為當(dāng)前的聲速，Vs為當(dāng)前風(fēng)速在TDsn超聲波探頭對方向上的分量，Ve為當(dāng)前風(fēng)速在TDew超聲波探頭對方向上的分量， 從式(I)和式(2)得到:Vs = d/2(l/Tsn-l/Tns)(5) 從式(3)和式(4)得到:Ve = d/2 (l/Tew-1/Twe)(6) 通過式(5)和式(6)，從而測量計算得到當(dāng)前的二維風(fēng)速風(fēng)向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于:所述兩個超聲波探頭對TDsn和TDew在同一個水平面成正交分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于:所述兩個超聲波探頭對TDsn和TDew中，面面相對的兩個超聲波探頭間距相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于:各超聲波探頭對測量獲取探頭接收到來自對方的超聲波傳播延遲時間Tsn、Tns、Tew和Twe包括如下步驟: 步驟一、用TDsn超聲波探頭對和TDew超聲波探頭對中的兩個超聲波探頭相互測量接收來自于對方發(fā)送的超聲波； 步驟二、對接收到的超聲波信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換； 步驟三、對轉(zhuǎn)換后的超聲波數(shù)字信號進行平滑濾波處理； 步驟四、對經(jīng)平滑濾波處理后的超聲波信號通過希爾伯特黃變換，確定超聲波信號的包絡(luò)線； 步驟五、將包絡(luò)線數(shù)據(jù)經(jīng)過高斯混合模型進行數(shù)據(jù)擬合，得到數(shù)據(jù)擬合曲線的高斯混合模型數(shù)學(xué)表達式: y(x) = a\xe +a2x^ C'A ^alxe cS( ) 式(7)中，y(x)表示包絡(luò)線數(shù)據(jù)擬合后的數(shù)值，x表示超聲波波形的位置信息，X取值為 1、2、n，al、a2、a3、bl、b2、b3、cl、c2、c3 分別為比例系數(shù)， 步驟六、確定數(shù)學(xué)表達式(7)中超聲波啟振點即曲率最大值點的位置，從而確定超聲波傳播延遲時間Tsn、Tns、Tew、Twe, 通過式(7)的比例系數(shù)al、a2、a3、bl、b2、b3、cl、c2、c3,確定y (x)取最大值時所對應(yīng)的x值，記為Xmax ;然后分別計算出y(x)對x的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，分別用yl (x)和yll(x)表示,再根據(jù)式(8)的數(shù)學(xué)表達式,在X取1-Xmax范圍內(nèi)，計算所有的K(x)值并找出最大的KU)值所對應(yīng)的X值，記為Xsm，Xsm即為超聲波啟振點曲率最大值點的位置，將Xsm除以原始信號的采樣頻率就得到超聲波探頭對中超聲波傳播延遲時間Tsn、Tns、Tew,Twe ； K(x) = I yll(x) I / (I + yl(x) * yl (x) ) ~3/2(8) 式(8)中K (x)為不同的x所對應(yīng)的曲率值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量方法，即采用四個具有超聲波收發(fā)功能的超聲波探頭，兩兩相對構(gòu)成超聲波探頭對TDew和TDsn，各超聲波探頭對中的兩個超聲波探頭分別發(fā)送和接收超聲波信號，分別測量獲取探頭接收到來自對方的超聲波傳播延遲時間，TDsn超聲波探頭對的超聲波傳播延遲時間為Tsn和Tns，TDew超聲波探頭對的超聲波傳播延遲時間為Tew和Twe，依據(jù)測量的超聲波傳播延遲時間，以及該超聲波探頭對中相對的兩個探頭的間距，測量計算得到當(dāng)前的二維風(fēng)速風(fēng)向。本方法可以對測量二維的風(fēng)速風(fēng)向進行精確計算，適應(yīng)惡劣環(huán)境下風(fēng)速風(fēng)向測量。
文檔編號G01P5/24GK103245796SQ201210032490
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者溫占鋒, 胡文 申請人:上海安偌電子科技有限公司