[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

技術領域

本發明涉及聲波測量風速、風向和垂直氣流等氣象探測領域，尤其涉及一種用于實時測量超低空段風的聲探測系統。

背景技術

在測風領域，常用的手段有聲雷達、超聲測風儀、測風槍、測風塔、激光雷達、風廓線雷達等。聲雷達利用聲波后向散射回波的多普勒效應進行風速的探測，但通常采用收發合置聲測風技術，依靠相控陣技術依次形成不同方向的發射和接收波束，波束換能器在發射的時候是不能進行接收的。由于超低空風散射的聲回波較快，當換能器開始接收時，散射的回波已經消失了，況且還存在換能器響應延遲和收發切換延遲，因此，收發合置測風技術測量的最低高度受限，20m以上風段測量較為準確。測風槍和超聲測風儀屬單點測風，風場剖面應用領域受限。測風塔一般用于固定點位置測試，且其高度受限。激光雷達是使用激光來進行風速的探測，其探測結果受能見度的影響較大。風廓線雷達屬于無線電雷達，測量精度易受電磁環境和地物雜波的干擾，局限性較大。且激光與無線電傳播速度較聲波快很多，在超低空風測量領域難有用武之地。

目前，現有技術中尚沒有實時的，較為準確的方法進行超低空段（1～20m）風場剖面的探測。

發明內容

本發明針對現有技術回波難以接收、實時性差、精度不高的問題，而研制一種能夠實現1-20m超低空段風實時測量的聲探測系統。本發明運用高精度單點超聲測風、收發分置聲測風、基于風場建模的信息融合和數據綜合處理技術，突破聲測風最小高度限制，實現了1-20米風場全剖面實時測量，具體技術手段如下：

1、運用時間倒數和相位差估算方法，對超聲傳播延時進行估計，構建了聲虛溫修正模型，采用超聲測風技術，實現1m處單點風速風向高精度、實時測量。

2、使用相控陣天線和主機構成收發分置聲測風系統，采用微弱回波信號提取和高分辨率多普勒頻移方法測量5-20m分層風速、風向數據。

3、在充分研究風場短時平穩特性的基礎上，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，通過實時的少數離散測量點值來不斷修正風場模型參數，融合單點超聲測風和收發分置聲測風數據，給出高精度的1-20m全剖面風廓線。

同現有技術相比，本發明的優點是顯而易見的：本發明采用一種創新的方法，運用高精度單點超聲測風、收發分置聲測風、基于風場建模的信息融合和數據綜合處理技術，突破聲測風最小高度限制，實現了20米以下風場全剖面實時測量。

附圖說明

了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖：

圖1為本發明實施例提供的一種超低空風探測系統組成示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種收發分置聲測風相控陣陣列構成示意圖；

圖3本發明實施例提供的一種發射接收時長示意圖；

圖4為本發明實施例提供的一種回波分段處理示意圖；

圖5為本發明實施例提供的一種超低空聲測風工作方法流程圖；

圖6本發明實施例提供的一種收發分置聲測風工作方法流程圖；

圖7本發明實施例提供的一種超聲測風工作方法流程圖；

圖8本發明實施例提供的一種超聲測風系統組成示意圖。

圖9為本發明實施例提供的一種收發分置聲測風主機構成示意圖；

圖10為本發明實施例提供的一種在坐標軸上的波束方向圖（其中a為立體視圖，b為平面視圖）；

圖11為本發明實施例提供的一種功率放大原理框圖；

圖12為本發明實施例提供的一種回波信號預處理模塊原理框圖。

具體實施方式

如圖1和圖5所示的一種用于實時測量超低空段風的聲探測系統包括：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（即包括風速、風向和垂直氣流數據）的基于風場建模的信息融合系統。