专利名称：一种无线风速仪的信号处理方法
技术领域：
本发明涉及一种信号处理方法，尤其是一种无线风速仪A/D转换后信号的处理方法，主要应用于土木工程桥梁或结构健康监测领域。
背景技术：
风荷载是大跨桥梁结构的主要荷载之一，利用桥梁地区的现场实测风场特性数据对结构进行分析是目前常用的结构风工程研究方法。通过风速仪对桥址区风场进行现场实测，可以获得桥址区的风场特性参数，主要包括平均风特性(平均风速、平均风向、风速随高度的变化规律等)和脉动风特性(紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度、功率谱密度函数等)。 利用实测风场特性参数才能对桥梁地区的风荷载进行准确的估计，进而对桥梁结构的风致响应进行分析，因此对桥梁地区风场的现场准确实测是计算桥梁风致响应的基础。现有的风场实测方法大多采用有线的风速，测试数据通过通信电缆传输至PC机。 每次风场实测任务，需要携带很长的通信电缆和电源电缆到测试现场，以满足测试的要求。 随着我国建筑高度和桥梁跨度的增加，需要的线缆的长度越来越长，电缆的铺设往往耗费大量的时间，造成测试效率低下。不仅如此，过长的线缆导致接口过多，信号极易受到干扰， 造成测试结果可靠性低。在强/台风、洪水等极端环境下，结构的剧烈振动很容易造成线缆的破坏，从而丢失关键测试数据。为了增加风速仪的抗极端环境的能力，提高风速仪的数据可靠性，采用结合无线通信技术的无线风速仪是一种有效的手段。风场测试结果一般包含风速和风向信息，采样频率一般在几十赫兹，因此风场测试结果的数据量巨大，且此结果需要处理后才能用于结构计算。目前对测试结果的处理方法是首先进行现场测试，待测试完成后，对数据进行集中处理，得出结构风致响应分析的风场特性参数。这种处理方法往往需要耗费大量的时间，数据处理效率也较低，无法做到测试结果的实时性，对测试过程中的仪器问题、信号问题等也不能及时纠正。特别是对于结构健康监测系统的风速测试，集中数据处理耗费大量的时间，而结构在强风下的破坏往往在极端的时间内发生，因此造成结构健康监测系统的风荷载预警能力有限。如果采用无线风速仪，大量的数据对无线传感网络的数据传输能力也是严峻的考验。综上所述，采用无线风速仪进行现场测试是结构风工程发展的必然趋势，考虑无线传感网络的数据传输能力和风场测试结果实时性的要求，迫切需要一种无线风速仪的信号处理方法，对风场测试参数进行实时处理，使处理后的数据能够直接用于结构风致响应分析，适应我国土木工程建设蓬勃发展的需求。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种无线风速仪的信号处理方法，重点解决如何针对无线风速仪的测试信号，提出一种风场特性参数的计算方法，最终实现风场特性参数的实时计算，计算结构能够直接用于结构风致响应分析。技术方案为实现以上的技术目的，本发明的一种无线风速仪的信号处理方法的式中，物、Sv(n)和&( )分别为顺风向、横风向和垂直向脉动风功率谱密度函数.,η
为脉动频率；/ = nZ/U为莫宁坐标-为气流摩阻速度7为测量风速仪的安装高度-’U为
标准时段内的平均风速；4、马和风( κν,w)分别为顺风向、横风向和垂直向功率谱密
度函数的待拟合参数；"表示水平顺风向、r表示水平横风向、『表示垂直向。采用最小二乘法对每个区域内的每个方向的每个标准时段内的脉动风功率谱密度函数按照上式进行拟
合，得出功率谱密度函数参数4、4和辉；
(8)将该时段内的平均风特性(包括水平向平均风速、水平向平均风向、垂直向平均风速和垂直向平均风向)以及脉动风特性(包括水平顺风向、水平横风向和垂直向的湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风功率谱密度函数参数)存储至无线风速仪的数据存储器等待发送，删除该时段内风荷载测试的过程数据。 有益效果针对目前有线风速仪现场测试的可靠性差和测试数据处理的效率低和实时性差，不能用于结构状态实时评估。本发明提出利用无线风速仪微处理器的数据处理能力，提出一套完整的无线风速仪信号处理方法，得出可直接用于结构风致响应分析的风场特性参数，并编制了全部相关计算程序，为结构风荷载分析提供了一套实用的信号处理方法。利用本发明方法得出的风场特性参数可用于桥梁健康状态的评估和指导该地区的桥梁结构设计，因此具有广阔的工程应用前景。
具体技术方案为
(1)微处理的时钟等待，直到到达预设的时间间隔，从无线风速仪数据存储器中提取风场测试数据；
(2)利用矢量分解法计算水平向平均风速、水平向平均风向、垂直向平均风速、垂直向平均风向、水平顺风向脉动风速、水平横风向脉动风速和垂直向脉动风速；
(3)计算水平顺风向、水平横风向和垂直向的湍流强度；
(4)计算水平顺风向、水平横风向和垂直向的阵风因子；
(5)计算水平顺风向、水平横风向和垂直向的湍流积分尺度；
(6)计算水平顺风向、水平横风向和垂直向的脉动风功率谱；
(7)水平的顺风向和横风向脉动风功率谱密度函数采用我国公路桥梁抗风设计规范规定的Kaimal谱的形式，如式(1)和式(2)所示；垂直向脉动风功率谱密度函数采用 Panofsky谱的形式，如式(3)所示。 顺风向功率谱
权利要求
1. 一种无线风速仪的信号处理方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)微处理的时钟等待，直到到达预设的时间间隔，从无线风速仪数据存储器中提取风场测试数据；2)利用矢量分解法计算水平向平均风速、水平向平均风向、垂直向平均风速、垂直向平均风向、水平顺风向脉动风速、水平横风向脉动风速和垂直向脉动风速；3)计算水平顺风向、水平横风向和垂直向的湍流强度；4)计算水平顺风向、水平横风向和垂直向的阵风因子；5)计算水平顺风向、水平横风向和垂直向的湍流积分尺度；6)计算水平顺风向、水平横风向和垂直向的脉动风功率谱；7)水平的顺风向和横风向脉动风功率谱密度函数采用我国公路桥梁抗风设计规范规定的Kaimal谱的形式，如式1和式2所示；垂直向脉动风功率谱密度函数采用Panofsky谱的形式，如式3所示；顺风向功率谱横风向功率谱垂直向功率谱
2.根据权利要求1所述的一种无线风速仪的信号处理方法，其特征在于第7步所述水平的顺风向和横风向脉动风功率谱密度函数为von Karman谱。
3.根据权利要求1所述的一种无线风速仪的信号处理方法，其特征在于第7步所述垂直向脉动风功率谱密度函数为von Karman谱。
全文摘要
本发明公开了一种无线风速仪的信号处理方法，该方法根据无线风速仪A/D转换后信号中的风速和风向信息，每隔一定的时间间隔对该时段内的信号进行分析，计算风场的水平向平均风速、水平向平均风向、垂直向平均风速、垂直向平均风向以及顺风向、横风向和垂直向的紊流强度、阵风因子、紊流积分尺度和脉动风功率谱，采用Kaimal谱和Panofsky谱分别对水平向和垂直向脉动风功率谱进行拟合得到功率谱密度函数的系数，将计算结果存储至无线风速仪的数据存储器，并编制了全部相关嵌入式计算程序。本发明充分考虑无线风速仪的信号特征和风荷载分析的需要，在无线风速仪中实现风场特性参数的自动计算，大大减少无线风速仪的数据传输量和风荷载数据的后期分析工作量。
文档编号G01L3/24GK102323441SQ20111015292
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者丁幼亮, 周广东, 宋永生, 李爱群, 邓扬 申请人:东南大学