[發明專利]基于計算機視覺的智能風速風向測量裝置

無效

• 申請號: 200710070675.3
• 申請日: 2007-08-31
• 公開（公告）號: CN101135697A
• 公開（公告）日: 2008-03-05
• 發明（設計）人: 湯一平;龐成俊;陸海峰;何祖靈;陳耀宇;梁波
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01P5/18
• 分類號: G01P5/18;G01P5/22;G01P13/02
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司
• 代理人: 王兵;王利強

技術領域

本發明屬于計算機圖像處理技術、風速風向可視化技術和機械設計技術在風速風向檢測方面的應用，主要適用于氣象、海洋、環境、農業、水利、電力、軍事、機場、科研、文物保護等領域。

背景技術

風場測量包括風速及風向，理想的風場測量傳感器應當能夠確定一個三維矢量。但三維矢量在研制與標定上都存在很大難度。因而一般風場測量傳感器確定的都是二維矢量，一般考慮為(xy平面)二維矢量，風速-模值及風向-方向。在一些特殊情況下，垂直運動也相當顯著，如山的背風坡、強的對流云。

目前測量風速的技術主要分為如下四種：1)旋轉式風速測量；2)壓力式風速測量；3)熱力式風速測量；4)超聲風速測量。市場上常見的風速測量儀器有如下三種：①風杯風速表，是應用最廣泛的一種風速表。由三個(或四個)半球形或拋物形空杯，都順一面均勻分布在一水平支架上，支架與轉軸相連。在風力作用下，風杯繞轉軸旋轉，其轉速正比于風速。轉速可以用電觸點、測速發電機、齒輪或光電計數器等記錄。②槳葉式風速表，由若干片槳葉按一定角度等間隔地裝置在一鉛直面內，能逆風繞水平軸轉動，其轉速正比于風速。槳葉有平板葉片的風車式和螺旋槳式兩種。最常見的是由三葉式四葉螺旋槳，裝在形似飛機機身的流線形風向標前部，風向標使葉片旋轉平面始終對準風的來向。其中風杯風速表和槳葉式風速表在原理上均屬于旋轉式風速測量。③熱力式風速表，被電流加熱的細金屬絲或微型球體電阻，放置在氣流中，其散熱率與風速的平方根成線性關系。通常在使加熱電流不變時，測出被加熱物體的溫度，就能推算出風速。熱力式風速表感應速度快，時間常數只有百分之幾秒，在小風速時靈敏度較高，宜應用于室內和野外的大氣湍流實驗，也是農業氣象測量的重要工具。

最近幾年由于CMOS技術的發展，人們采用硅熱流量風速風向測量；利用溫差型的測量原理，采用某種控制，將傳感器表面加熱，使之高于環境一定溫度，通過測量風向對稱點處由于風速的影響而產生的片上溫差而得到風速和風向的信息，從原理上來說也是一種熱力式風速測量方法。該測量手段一般適用于室內風場測量。超聲風速測量是利用超聲波沿空氣流動方向作雙向傳播，從而測量自然風速的儀器，目前也已有產品問世。

在氣象觀測中，采用一個風杯式風速計來測量風速，該傳感器對風向不敏感，再采用一個風標，用于測量相對地平面的方向矢量。

現有旋轉式風速測量儀歷經了數幾十年的發展和改進，以其結構簡單、無功耗、直觀等突出優點得到廣泛推廣使用，目前是應用最廣泛的一種風速測量方法。

在旋轉式風速測量儀中的風速信號轉換方法目前主要采用的是電機式和電接式這兩種方法：在電機式風速測量儀中，風杯帶動測速發電機，輸出與轉速(風速)成正比的電壓訊號；在電接式風速測量儀中，風杯經變速機構輸出代表一定風程的脈沖信號，計量規定間隔時間內脈沖信號的個數，得到該時段的平均風速等于該時段風程數/間隔時間。電型的風速傳感器是電接式風速測量方法中的一種光電轉換，傳感器中采用低慣性輕金屬風杯，隨風旋轉，帶動同軸截光盤轉動，以光電子掃描輸出脈沖串，輸出相應于轉數的脈沖頻率對應值，便于采集及處理。

風向標是一種應用最廣泛的測量風向儀器的主要部件。由水平指向桿、尾翼和旋轉軸組成。在風的作用下，尾翼產生旋轉力矩使風向標轉動，并不斷調整指向桿指示風向。目前將風向信號的轉換主要采用了各種角度傳感器進行風向信號的轉換，主要有：1)機械式；2)電氣式；3)電位器式；4)光電式等四種角度傳感器，其中光電型的風向傳感器應用最為廣泛。光電型的風向傳感器采用低慣性輕金屬的風向標響應風向，帶動同軸碼盤轉動，此碼盤按格雷碼編碼并以光電子掃描，輸出對應風向的電信號。風向標感應的風向必須傳遞到地面的指示儀表上，以觸點式最為簡單，風向標帶動觸點，接通代表風向的燈泡或記錄筆電磁鐵，作出風向的指示或記錄，但它的分辨只能做到一個方位(22.5°)。精確的方法有自整角機和光電碼盤。