[發明專利]用于實時測量超低空段風的聲探測系統

有效

• 申請號: 201310210566.2
• 申請日: 2013-05-30
• 公開（公告）號: CN103308917A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 初俐君;馮杰;房帥;張煥勝;石建飛;周瑜;劉振華
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三研究所
• 主分類號: G01S15/88
• 分類號: G01S15/88;G01S7/539
• 代理公司: 北京天盾知識產權代理有限公司 11421
• 代理人: 陳紅燕

1.一種用于實時測量超低空段風的聲探測系統，其特征在于包括：

超聲測風系統，收發分置聲測風系統，以及將上述兩系統測量數據通過融合處理給出1-20m風場剖面數據的基于風場建模的信息融合系統；

所述超聲測風系統包括：

用于發射、接收超聲信號的超聲換能器陣列單元；

用于向超聲換能器陣列單元中的超聲換能器提供高壓驅動電壓信號的超聲發射單元；

用于對超聲換能器陣列單元中的超聲換能器接收到的信號進行放大和采集的超聲接收單元；

以及通過控制超聲發射單元和超聲接收單元，實現控制超聲換能器陣列單元依次進行發射、接收超聲信號；并在一個周期后，采用相位差估算方法計算超聲延時；然后采用時間倒數法計算風速，使用聲虛溫模型進行修正；最后通過時間累積，進行算術平均值、滑動平均值的計算，得出1m處單點三維風速和風向的控制計算單元；

所述收發分置聲測風系統包括：收發分置聲測風相控陣天線和收發分置聲測風主機

所述收發分置聲測風相控陣天線包括用于發射聲波信號的發射陣元和用于接收聲回波信號的接收陣元；

所述收發分置聲測風主機包括：

用于完成發射信號的功率放大的功率放大模塊；

用于完成收發分置聲測風相控陣天線收發信號的控制的收發切換模塊；

用于將回波信號進行前置放大、濾波和程控增益的回波信號預處理模塊；

以及對接收的信號先進行剔除頻率固定的發射信號；然后按照分層高度，分段進行處理；再按照回波信號按照高度層進行分段，對每一段數據作FFT分析，將每一個層面上的回波信號功率譜進行平均，在時域累積的基礎上，重復上述過程，每當一組功率譜生成，即與上一組對應的譜線相加，后提取有用的微弱回波信號；再通過波束成形算法改善信噪比，后提取出多普勒頻移信號；最后通過公式計算W=(Vrn+Vrs)/2cosθU=(Vrzcosθ-Vrw)/sinθV=(Vrzcosθ-Vrs)/sinθ,]]>得到五個徑向方向不同層高上的風速，

其中V_rn為北方向波束徑向方向的風速、V_re為東方向波束徑向方向的風速、V_rs為南方向波束徑向方向的風速、V_rw為西方向波束徑向方向的風速、V_rz為垂直方向波束徑向方向的風速，U、V、W分別代表風速矢量在東、北、垂直方向上的分量，θ為波束傾角，進而得出分層風向和垂直氣流數據的DSP模塊；

所述控制計算單元和收發分置聲測風主機分別將，1m處風速和風向以及5-20m分層風速和風向數據發送給基于風場建模的信息融合系統進行融合處理，具體過程如下：對平穩風場進行數學建模，將風速和風向隨高度變化的統計規律由風場數學模型表達出來：首先采用固定高度上兩分鐘內測得的風速的均值建立準定常風直線模型，W_yb=k*y+b，其中W_yb為準定常風，k為風速隨高度增加的比例系數，b為地面風速，y為高度；然后用表示水平風速在給定高度上的切變強度并隨高度呈線性變化；再通過計算五個方向上的風分量相對于一個周期內風速平均值的短暫的正、負偏差計算陣風，用W_d表示；再通過隨機函數生成一個元素在0～1之間的均勻分布的隨機數，表示無法事先預知的隨機風，用W_r表示；最后，得出短時風場模型為W_M=W_yb+W_n+W_d+W_r，獲得1-20m全剖面風廓線。