[發明專利]三維空間來風的風速測量系統及方法

有效

• 申請號: 201810027623.6
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108169511B
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發明（設計）人: 李新波;朱閣彥;王英偉;郭晨;西繼東;劉帥;李厚禹;于潤澤
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01P13/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王戈

本發明公開一種三維空間來風的風速測量系統及方法，所述三維空間來風的風速測量系統包括：第一超聲波傳感器；四個第二超聲波傳感器，各第二超聲波傳感器以所述第一超聲波傳感器為原點O，在xoy平面內，均勻排列形成第一四元弧陣列；四個第三超聲波傳感器，各第三超聲波傳感器以所述第一超聲波傳感器為原點O，在yoz平面內，均勻排列形成第二四元弧陣列；數據處理器，分別與各所述第二超聲波傳感器、各所述第三超聲波傳感器連接。本發明通過一發八收的超聲波傳感器陣列進行風速風向檢測，無轉動部件，對風信息的改變反應靈敏，無機械磨損，維護成本低，使用壽命長，進而通過數據處理器確定三維空間中來風的風速、方位角及俯仰角，快速準確，精度高。

技術領域

本發明涉及三維測風技術領域，特別是涉及一種三維空間來風的風速測量系統及方法。

背景技術

風是一種很常見的自然現象，在氣象、航空、軍事、高鐵、航海和武器發射校準等方面，對風速和風的空間來向的準確測量要求很高。目前國內市場上主要有非超聲波測風儀和超聲波測風儀兩大類。非超聲波測風儀主要包括機械式測風儀、熱敏式測風儀、多普勒激光測風儀等。其中機械式測風儀則由于其內部含有轉動模塊，故而反應速度慢，有機械磨損，且容易損壞，壽命較短，而且還只能測試出二維空間中風速風向信息，但優點在于成本較低。而熱敏式測風儀則由于原理缺陷，其測量范圍和測量精度都較低。其優點是體積小，有可伸縮探頭，可在小空間內進行測量。多普勒激光測風儀一般成本高昂，體積偏大，多是通過車載移動，常用在大型活動的氣象探測，難以推廣，但其優點是采集信息范圍廣，數據精確。

相對與非超聲波測風儀來說，超聲波測風儀的市場占有率更大，超聲波測風儀也有一維、二維、三維之分，且隨著維度的增加，其價格也逐漸變得昂貴。其中超聲波一維測風儀和超聲波二維測風儀相對于非超聲波測風儀來說，測量精度會較高，且體積小，容易便攜，但并不能獲取空間中來風的三維信息，在某些領域并不適用；而對于超聲波三維測風儀來說，獲取的空間風信息更多。

但目前市場上超聲波三維測風儀，還大多是基于時差法來測量出x,y,z軸上的速度分量，在通過空間矢量合成來得到空間來風的信息，其測量精度較大程度上依賴于對超聲波信號從發射超聲波信號的傳感器傳播到接收超聲波信號的傳感器之間的傳播時間(即度越時間)的測量精度，和硬件的工作性能，影響因素較多，導致測量精度較低。

發明內容

本發明的目的是提供一種三維空間來風的風速測量系統及方法，可提高在三維空間中的測量精度。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種三維空間來風的風速測量系統，所述三維空間來風的風速測量系統包括：

第一超聲波傳感器，用于發射超聲波信號；

四個第二超聲波傳感器，各所述第二超聲波傳感器以所述第一超聲波傳感器為原點O，在xoy平面內，均勻排列形成第一四元弧陣列，用于接收所述第一超聲波傳感器發射的超聲波信號；

四個第三超聲波傳感器，各所述第三超聲波傳感器以所述第一超聲波傳感器為原點O，在yoz平面內，均勻排列形成第二四元弧陣列，用于接收所述第一超聲波傳感器發射的超聲波信號；

數據處理器，分別與各所述第二超聲波傳感器、各所述第三超聲波傳感器連接，用于根據各所述第二超聲波傳感器接收到的超聲波信號以及各所述第三超聲波傳感器接收到的超聲波信號，確定三維空間中來風的風速、方位角及俯仰角。

可選的，所述數據處理器為STM32系列的單片機。

可選的，各所述第二超聲波傳感器到第一超聲波傳感器的距離、各所述第三超聲波傳感器到第一超聲波傳感器的距離的分別為10cm。

可選的，所述第一四元弧陣列中相鄰兩個第二超聲波傳感器與第一超聲波傳感器連線的夾角、所述第二四元弧陣列中相鄰兩個第三超聲波傳感器與第一超聲波傳感器連線的夾角分別為20°。