基于多发多收超声波传感器的测风装置及方法与流程
本发明属于风速风向测量技术领域，具体涉及了一种平面式的多发多收的超声波风速风向测量装置及方法。
背景技术：
风是一种常见的自然现象，也是一种重要的可再生，可循环的清洁能源。风速风向的精确测量在气象、航空、航海、军事等领域中都发挥着重要作用，人类对测风仪的使用主要包括机械式测风仪，热敏式测风仪和超声波测风仪，其中机械式测风仪主要包括翼状风速计和杯状风速计，但由于其内部存在转动部件，很容易磨损或者腐蚀，导致测量精度下降，维护成本高。而热敏式风速计主要是利用热敏探头，通过测量流动的风对热元件散热速率来测量风速，由于原理的限制，可测量风速的范围十分有限。而超声波测风仪由于内部无转动部件、没有启动风速的限制、测量范围大、测量精度高、维护成本低等优点而得到了人们的广泛关注。常用的超声测风技术主要是时差法，也即通过测量超声波在顺风和逆风情况下传播时间的不同来测量风速和风向，因此这种测风仪的测量精度完全取决于超声波传播时间的测量精度。因此现有技术当中急需要一种新的技术方案来解决这一问题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种精度更高的基于多发多收超声波传感器的测风装置及方法。
本发明提供了一种基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，包括：超声波传感器阵列、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元；
所述超声波传感器阵列包括超声波发射器及超声波接收器；超声波发射器用于发射超声波信号以提供后续风速风向测量所需的超声波信号，超声波发射器由超声波驱动电路和两个用于发射超声波信号的超声波发射传感器组成，超声波驱动电路用于驱动两个超声波发射传感器在相等的时间间隔内交替发射同频率的超声波信号；超声波接收器由滤波放大电路和超声波接收传感器组成，超声波接收传感器数量为六个，六个超声波接收传感器用于接收到六路包含风速风向信息的超声波信号，超声波接收传感器与滤波放大电路相连，滤波放大电路用于对超声波接收传感器所接收的超声波信号进行滤波放大处理，并将处理后的超声波信号发送给主控单元；
其中超声波发射传感器和超声波接收传感器均为超声波传感器，八个超声波传感器分布在同一平面内正方形的四个顶点及对角线交点处，且在对角线交点及正方形的两个顶点上各布置一对超声波传感器，且两个顶点与对角线交点共线；
所述主控单元包括主控芯片、复位电路、时钟电路和电源电路，电源电路分别与主控芯片、复位电路及时钟电路相连，复位电路与主控芯片相连，时钟电路与主控芯片相连，主控单元与超声波传感器阵列通信连接，主控单元用于控制超声波信号的发射和接收，同时对接收的阵列数据进行处理；主控单元与温湿度补偿单元通信连接，主控单元用于接收温湿度补偿单元向其发送的温度检测数据及湿度检测数据，并通过温度检测数据及湿度检测数据来校正待测风所处环境中超声波信号的传播速度；主控单元与报警单元相连，若超声波发射器和/或超声波接收器发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第一报警信号，若温度检测模块和/或湿度检测模块发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第二报警信号；主控单元和显示单元相连；
所述温湿度补偿单元用于检测超声波传播介质中的温度和湿度，其由温度检测模块和湿度检测模块组成，温度检测模块内部包括温度传感器，湿度检测模块内部包括湿度传感器；温度检测模块和湿度检测模块将检测的实时温度和湿度送入主控单元，以便主控单元根据温度检测数据及湿度检测数据来校正超声波传播速度；
所述报警单元包括蜂鸣器，报警单元用于在超声波发射器、超声波接收器及温湿度补偿单元发生故障时发出警报提醒；
所述显示单元用于显示所测量的风速风向信息，显示单元包括数码管和控制按键，数码管和控制按键均与主控单元相连。
所述超声波驱动电路包括两个二极管、两个肖特基二极管、一个晶体管、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c1、电容c6、电容c7及电感l1，其中，二极管型号为bav99，肖特基二极管型号为bat45s，晶体管型号为pmbt3904，电容c1、电容c6和电感l1的一端均连接至12v直流电源上，电容c6的另一端接地，电容c1和电感l1的另一端相连之后分别与电容c7和晶体管的第一引脚相连，晶体管的第二引脚与电阻r1相连，晶体管的第三引脚与电阻r2相连，且电阻r1和电阻r2的另一端接地，主控单元所输入的pwm信号则从电阻r1的非接地端给入，两个二极管正负极顺次相连组成一个环路，两个肖特基二极管正负极顺次相连组成一个环路，电容c7的另一端分别与两个二极管构成的环路的一个引出端、电阻r5的一端相连，电阻r5的另一端接地，两个二极管构成的环路的另一个引出端与超声波发射传感器的一个引脚，以及电阻r3和电阻r4的一端相连，电阻r3和超声波发射传感器的另一端都接地，电阻r4的另一端与两个肖特基二极管所组成环路的一个引出端相连，两个肖特基二极管所组成环路的另一个引出端接地。
所述滤波放大电路包括两个运算放大器、两个二极管、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电容c3、电容c4及电容c5，其中两个运算放大器的型号为max4416，两个运算放大器分别为运算放大器a、运算放大器b，二极管型号为bav99，电阻r6的一端同时接入模拟信号的输入端和电阻r9的一端，运算放大器a的2脚连接于电阻r6的另一端、电阻r10的一端以及两个串联连接二极管的正向输入端，运算放大器a的3脚与电容c3的一端、电阻r8的一端以及电阻r7的一端相连，其中电阻r7的另一端接2.5v的直流电源，电阻r8和电容c3的另一端均接地，电阻r10的另一端与两个串联连接二极管的输出端同时接入电阻r11的一端，同时电阻r11的另一端与电阻r9的另一端、电阻r13的一端、电容c5的一端和运算放大器b的6脚，电阻r13与电容c5的另一端同时接入运算放大器b的7脚，运算放大器b的5脚同时连接电阻r12和电容c4的一端，电容c4的另一端接地，电阻r12的另一端接入12v的直流电源，运算放大器b的7脚则输出经放大滤波处理后的超声波信号。
所述主控芯片所用型号为stm32f030。
所述超声波驱动电路、滤波放大电路、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元布设在电路板上，该电路板设置在底座内部。
本发明还提供了一种利用所述的基于多发多收超声波传感器的测风装置进行风速风向测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101：温湿度补偿单元将其检测的实时环境温湿度数据传给主控单元；主控单元根据所检测的实时环境温湿度值的变化来判断温湿度补偿单元中的温度检测模块和/或湿度检测模块是否出现故障，若温度检测模块和/或湿度检测模块无故障，主控单元根据温湿度补偿单元所测量的温湿度值来校正超声波传播速度，若温度检测模块和/或湿度检测模块出现故障，则主控单元控制报警单元发出第二报警信号；
步骤102：建立超声波传感器阵列结构；所述超声波传感器阵列包括用于发射超声波信号的两个超声波发射传感器，六个用于接收超声波信号的超声波接收传感器，主控单元控制两个超声波发射传感器在相等的时间间隔t内交替发射同频率的超声波信号；两个超声波发射传感器分别为超声波发射传感器a和超声波发射传感器b，超声波发射传感器a作为发射阵元a，超声波发射传感器b作为发射阵元b；六个超声波接收传感器作为六个接收阵元，六个接收阵元分别为接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3、接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3，所述接收阵元ca1、接收阵元ca2及接收阵元ca3分别与发射阵元a连线之间的夹角为45°，所述接收阵元cb1、接收阵元cb2及接收阵元cb3分别与发射阵元b连线之间的夹角为45°；所述接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3及发射阵元a组成超声波传感器子阵列ac；所述接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3及发射阵元b组成超声波传感器子阵列bc；
步骤103：以步骤102中所述超声波传感器子阵列ac中的接收阵元ca1为参考阵元，获取所述的超声波传感器子阵列ac中发射阵元a到达所述的超声波传感器子阵列ac中各个接收阵元时，相对于所述的超声波传感器子阵列ac中发射阵元a到达所述的超声波传感器子阵列ac中参考阵元ca1的时间延迟数据；
步骤104：以步骤102中所述超声波传感器子阵列bc中的接收阵元cb1为参考阵元，获取所述的超声波传感器子阵列bc中发射阵元b到达所述的超声波传感器子阵列bc中各个接收阵元时，相对于所述的超声波传感器子阵列bc中发射阵元b到达所述的超声波传感器子阵列bc中参考阵元cb1的时间延迟数据；
步骤105：主控单元采样并储存超声波传感器子阵列ac和超声波传感器子阵列bc所接收的含有风速风向信息的超声波信号作为阵列数据；
步骤106：主控单元根据所述步骤103和步骤104中的时间延迟数据及所述步骤105中的阵列数据，采用波束形成算法，得到待测风的风速和风向。
进一步，所述步骤103中的时间延迟数据经过如下过程获得：
获取超声波传感器子阵列ac中的发射阵元a向所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3发射的超声波信号的传播速度；所述传播速度公式为：
式(1)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度，vca1表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca1方向传播时的传播速度，vca2表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca2方向传播时的传播速度，vca3表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca3方向传播时的传播速度；
获取所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中各接收阵元的时间表达式；所述时间计算表达式为：
式(2)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度，tca1表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca1的时间,tca2表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca2的时间,tca3表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca3的时间；
根据所述时间计算表达式(2)，获取所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述参考阵元ca1的时间延迟计算表达式；所述时间延迟计算表达式为：
式(3)中，τca1表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca1时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述参考阵元ca1时的时间差，τca2表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca2时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述参考阵元ca1时的时间差，τca3表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca3时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述参考阵元ca1时的时间差。
进一步，所述步骤104中的时间延迟数据经过如下过程获得：
获取超声波传感器子阵列bc中的发射阵元b向所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3发射的超声波信号的传播速度；所述传播速度公式为：
式(4)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度,vcb1表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb1方向传播时的传播速度，vcb2表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb2方向传播时的传播速度，vcb3表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb3方向传播时的传播速度；
获取所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中各接收阵元的时间表达式；所述时间计算表达式为：
式(5)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度，tcb1表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb1的时间,tcb2表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb2的时间,tcb3表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb3的时间；
根据式(5)获取所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述参考阵元cb1的时间延迟计算表达式；所述时间延迟计算表达式为：
式(6)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度，τcb1表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb1时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述参考阵元cb1时的时间差，τcb2表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb2时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述参考阵元cb1时的时间差，τcb3表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb3时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述参考阵元cb1时的时间差。
进一步，步骤105中阵列数据经过如下过程获得：
根据公式(7)确定所述发射阵元a及发射阵元b发射的超声波信号，其中超声波信号为单频窄带信号；所述公式(7)为：
s(t)＝u(t)ej[wt+φ(t)](7)
式(7)中，s(t)表示发射阵元a及发射阵元b所发射的超声波信号表示形式,u(t)为所述超声波信号的幅度，
s(t-τ)＝s(t)e-jwτ(8)
根据公式(9)确定所述超声波传感器子阵列ac所接收阵列数据；所述公式(9)为：
式(9)中，xca1(t)、xca2(t)、xca3(t)表示超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3所接收到的数据,nca1(t)、nca2(t)、nca3(t)为所述超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3所接收的噪声，且各接收阵元接收的噪声彼此之间独立，s(t-τca1)表示经过时间延迟τca1之后的超声波信号表示形式，s(t-τca2)表示经过时间延迟τca2之后的超声波信号表示形式，s(t-τca3)表示经过时间延迟τca3之后的超声波信号表示形式；
根据公式(10)确定所述超声波传感器子阵列bc所接收阵列数据；所述公式(10)为：
其中xcb1(t)、xcb2(t)、xcb3(t)表示超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3所接收到的数据，ncb1(t)、ncb2(t)、ncb3(t)为所述超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3所接收的噪声，且各接收阵元接收的噪声彼此之间独立，s(t-τcb1)表示经过时间延迟τcb1之后的超声波信号表示形式，s(t-τcb2)表示经过时间延迟τcb2之后的超声波信号表示形式，s(t-τcb3)表示经过时间延迟τcb3之后的超声波信号表示形式；
根据公式(9)和公式(10)获取所述超声波传感器阵列所接收的阵列数据信息；所述超声波传感器阵列所接收的阵列数据矩阵x(t)为：
进一步，所述步骤106中获取风速和风向的具体过程如下：根据公式(11)获取超声波传感器阵列的阵列流型矢量；所述的超声波传感器阵列的阵列流型矢量a为：
根据公式(13)确定所述波束形成算法的加权矢量w；所述公式(13)为：
其中a(θ,v)表示超声波传感器阵列的阵列流型，根据所述波束形成算法的加权矢量，确定经过波束形成算法处理之后的超声波传感器阵列，所述的超声波传感器阵列输出功率的计算公式为：
p(θ,v)＝whrw＝ah(θ,v)ra(θ,v)(14)
其中r为阵列数据矩阵x(t)的协方差矩阵，即r＝[x(t)xh(t)]，ah(θ,v)表示复数矩阵a(θ,v)的共轭转置，wh表示复数矩阵w的共轭转置，xh(t)表示阵列数据矩阵x(t)的共轭转置；
根据所述阵列数据和公式(14)，计算所述超声波传感器阵列输出功率的最大值，并将所述超声波传感器阵列输出功率最大值所对应的风速风向确定为待测的风速风向值。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、本发明提出的基于多发多收超声波传感器的测风装置是对基于时差法的超声波测风仪的一种改进，使风速风向测量的精度不再依赖于超声波信号在超声波传感器发射端和接收端之间传播时间的测量精度，避免了由于对时间测量的误差而引起的风参数测量的误差。
2、本发明加入了故障报警单元，能根据不同的故障原因发出不同的报警信号，使维护简单，降低了维护成本。
3、本发明将电路板及其电路部件封闭在底座内，避免了环境中的风吹雨打，提高了测风装置的整体寿命。
4、本发明利用两个发射超声波信号的超声波发射传感器和六个接收超声波信号的超声波接收传感器组成的两个超声波传感器子阵列，来接收含有风速风向信息的超声波阵列信息，然后通过将两个超声波传感器子阵列所接收阵列数据信息融合处理并通过波束形成算法测量出风速风向信息，两个超声波传感器子阵列所形成的不同的子阵列流型矢量，相比于一个阵列流型矢量或者两个相同的子阵列流型矢量组成的阵列流型矢量来说，包含了更多的风参数信息，因此对于风速风向的测量精度也更高。
附图说明
图1为测风装置的系统结构图。
图2为测风装置的装置结构图。
图3为测风装置的风矢量分解示意图。
图4a为本发明实施例v＝5.1m/s；θ＝45°的风速谱峰示意图。
图4b为本发明实施例v＝5.1m/s；θ＝45°的风向谱峰示意图。
图5a为本发明实施例v＝21.3m/s；θ＝135°的风速谱峰示意图。
图5b为本发明实施例v＝21.3m/s；θ＝135°的风向谱峰示意图。
图6a为本发明实施例v＝51.7m/s；θ＝315°的风速谱峰示意图。
图6b为本发明实施例v＝51.7m/s；θ＝315°的风速谱峰示意图。
图7为本发明实施例风速测量不确定度图。
图8为本发明实施例风向测量不确定度图。
图9为本发明实施例风速成功率图。
图10为本发明实施例风向成功率图。
图11为本发明实施例中放大滤波电路图。
图12为本发明实施例中超声驱动电路图。
图中：1为第一超声波传感器、2为第二超声波传感器、3为第三超声波传感器、4为第四超声波传感器、5为第五超声波传感器、6为第六超声波传感器、7为第七超声波传感器、8为第八超声波传感器、9为立柱；10为底座；11为显示面板。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明所基于的物理模型是不同时发射超声波信号的多发多收超声波传感器阵列，由于两个发射超声波信号的超声波传感器不同时发射超声波信号，因此每个超声波传感器子阵列只有一个发射阵元用来发射超声波信号，其余接收阵元用来接收超声波信号，即在空间中只有一个有效信号。本发明采用波束形成算法来求解风速风向信息，其主要思想是将各接收阵元输出进行加权求和，可看作是在一时间内将超声波传感器阵列中各接收阵元所接收信号‘导向’到一个方向上，相当于形成一个‘波束’，而对期望信号得到最大输出功率的导向位置便对应着待测的风速风向信息。
本发明提出了一种基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，包括：超声波传感器阵列、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元；
所述超声波传感器阵列包括超声波发射器及超声波接收器；超声波发射器用于发射超声波信号以提供后续风速风向测量所需的超声波信号，超声波发射器由超声波驱动电路和两个用于发射超声波信号的超声波发射传感器组成，两个超声波发射传感器分别为超声波发射传感器a、超声波发射传感器b，超声波驱动电路用于驱动两个超声波发射传感器a和超声波发射传感器b在相等的时间间隔内交替发射同频率的超声波信号；超声波接收器由滤波放大电路和超声波接收传感器，超声波接收传感器数量为六个，六个超声波接收传感器用于接收到六路包含风速风向信息的超声波信号，超声波接收传感器与滤波放大电路相连，滤波放大电路用于对超声波接收传感器所接收的超声波信号进行滤波放大处理，并将处理后的超声波信号发送给主控单元；
所述主控单元包括主控芯片、复位电路、时钟电路和电源电路，电源电路分别与主控芯片、复位电路及时钟电路相连，复位电路与主控芯片相连，时钟电路与主控芯片相连，主控单元与超声波传感器阵列通信连接，主控单元向超声波传感器阵列中的超声波发射器发射驱动信号，使超声波发射器发射超声波信号，同时主控单元用于接收超声波传感器阵列中的超声波接收器向其发送的阵列数据并通过波束形成算法进行处理，以达到对风速风向测量的目的；主控单元与温湿度补偿单元通信连接，主控单元用于接收温湿度补偿单元向其发送的温度检测数据及湿度检测数据，并通过温度检测数据及湿度检测数据来校正待测风所处环境中超声波信号的传播速度，以此来提高风参数测量精度；主控单元与报警单元相连，若超声波发射器和/或超声波接收器发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第一报警信号，若温度检测模块和/或湿度检测模块发生故障，则主控单元用于控制报警单元发出第二报警信号，通过这种方式来明确测风装置所发生故障的部位，以降低测风装置的故障维护成本；主控单元和显示单元相连，在需要直接观察所处环境中风参数的变化时，主控单元用于控制显示单元显示主控单元所测量风参数信息，在不需要观察所处地方风参数的变化时，主控单元控制显示单元不工作，以此降低整个测风装置的功耗；
所述温湿度补偿单元用于检测超声波传播介质中的温度和湿度，其由温度检测模块和湿度检测模块组成，温度检测模块内部包括温度传感器，湿度检测模块内部包括湿度传感器；温度检测模块和湿度检测模块将检测的实时温度和湿度送入主控单元，以便主控单元根据温度检测数据及湿度检测数据来校正超声波传播速度；主控单元每隔一定时间扫描温度检测模块和湿度检测模块所检测的温湿度数据，若所检测温度和湿度数据未发生变化，则说明温度检测模块和/或湿度检测模块出现故障，主控单元便控制报警单元发出针对于温湿度补偿单元故障的警报。
所述报警单元包括蜂鸣器，报警单元用于在超声波发射器、超声波接收器及温湿度补偿单元发生故障时发出警报提醒；若超声波发射器和/或超声波接收器发生故障，则主控单元控制报警单元发出第一报警信号，若温度检测模块和/或湿度检测模块发生故障，则主控单元控制报警单元发出第二报警信号；通过这种方式来明确测风装置所发生故障的部位，以降低测风装置的维护成本。
所述显示单元用于显示所测量的风速风向信息，显示单元包括数码管和控制按键，数码管和控制按键均与主控单元相连；显示单元与主控单元相连；主控单元控制显示单元是否工作，若需要显示风速风向信息，按下显示单元工作控制按键，则主控单元将控制显示单元处于工作状态，以显示实时的风速风向信息；若暂时不需要显示实时风速风向信息，在按一下显示单元工作控制按键，则主控单元将控制显示处于单元非工作，以降低测风装置的整体功耗；显示单元显示主控单元通过算法处理得到的风速风向值。
如图12所示，所述超声波驱动电路包括两个二极管、两个肖特基二极管、一个晶体管、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c1、电容c6、电容c7及电感l1，其中，二极管型号为bav99，肖特基二极管型号为bat45s，晶体管型号为pmbt3904，电容c1、电容c6和电感l1的一端均连接至12v直流电源上，电容c6的另一端接地，电容c1和电感l1的另一端相连之后分别与电容c7和晶体管的第一引脚相连，晶体管的第二引脚与电阻r1相连，晶体管的第三引脚与电阻r2相连，且电阻r1和电阻r2的另一端接地，主控单元所输入的pwm信号则从电阻r1的非接地端给入，两个二极管正负极顺次相连组成一个环路，两个肖特基二极管正负极顺次相连组成一个环路，电容c7的另一端分别与两个二极管构成的环路的一个引出端、电阻r5的一端相连，电阻r5的另一端接地，两个二极管构成的环路的另一个引出端与超声波发射传感器的一个引脚，以及电阻r3和电阻r4的一端相连，电阻r3和超声波发射传感器的另一端都接地，电阻r4的另一端与两个肖特基二极管所组成环路的一个引出端相连，两个肖特基二极管所组成环路的另一个引出端接地。
如图11所示，所述滤波放大电路包括两个运算放大器、两个二极管、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电容c3、电容c4及电容c5，其中两个运算放大器的型号为max4416，两个运算放大器分别为运算放大器a、运算放大器b，二极管型号为bav99，电阻r6的一端同时接入模拟信号的输入端和电阻r9的一端，运算放大器a的2脚连接于电阻r6的另一端、电阻r10的一端以及两个串联连接二极管的正向输入端，运算放大器a的3脚与电容c3的一端、电阻r8的一端以及电阻r7的一端相连，其中电阻r7的另一端接2.5v的直流电源，电阻r8和电容c3的另一端均接地，电阻r10的另一端与两个串联连接二极管的输出端同时接入电阻r11的一端，同时电阻r11的另一端与电阻r9的另一端、电阻r13的一端、电容c5的一端和运算放大器b的6脚，电阻r13与电容c5的另一端同时接入运算放大器b的7脚，运算放大器b的5脚同时连接电阻r12和电容c4的一端，电容c4的另一端接地，电阻r12的另一端接入12v的直流电源，运算放大器b的7脚则输出经放大滤波处理后的超声波信号。
所述主控芯片所用型号为stm32f030。
所述所述超声波驱动电路、滤波放大电路、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元布设在电路板上，该电路板设置在底座内部，避免了环境中的风吹雨打，提高了测风装置的整体寿命。
实施例一
如图1所示，基于多发多收超声波传感器的测风装置，其特征在于，包括：超声波传感器阵列、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元；其中超声波传感器阵列、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元均与主控单元相连。其中温湿度补偿单元通过检测外界环境中的温湿度值，并将该检测值送给主控单元，来达到校准超声波传播速度的目的。同时主控单元一直观察温湿度补偿单元是否正常工作，若温湿度补偿单元出现故障，则主控单元控制报警单元发出关于温湿度补偿单元故障的报警信号。超声波传感器阵列将阵列数据送给主控单元，来达到风速风向参数测量的目的。同时主控单元一直观察超声波传感器阵列是否正常工作，若超声波传感器阵列出现故障，则主控单元控制报警单元发出关于超声波传感器阵列故障的报警信号。同时主控单元可以根据需求，来控制显示单元是否需要显示主控单元所测量的风速风向信息，若不需要显示时，可控制显示单元不工作，以此来降低该多发多收超声波传感器测风装置的整体功耗，其中所述主控单元中的主控芯片所用型号为stm32f030。
如图2所示，八个超声波传感器分别安装在立柱9上面，且立柱9固定于底座10上，八个超声波传感器分别为第一超声波传感器1、第二超声波传感器2、第三超声波传感器3、第四超声波传感器4、第五超声波传感器5、第六超声波传感器6、第七超声波传感器7及第八超声波传感器8，其中第一超声波传感器1和第五超声波传感器5之间的连线与第一超声波传感器1和第七超声波传感器7之间的连线之间的夹角为45°，且第三超声波传感器3、第五超声波传感器5及第七超声波传感器7所在直线与第一超声波传感器1、第五超声波传感器5及第二超声波传感器2所在直线互相垂直。其中显示面板11安装在底座10的侧面，所述超声波驱动电路、滤波放大电路、主控单元、温湿度补偿单元、报警单元以及显示单元布设在电路板上，该电路板设置在底座10内部可以在一定程度上降低自然损坏。
如图3所示，此为超声测风装置的风矢量分解示意图，其中点a和点b为第一超声波传感器1和第二超声波传感器2所处位置；第一超声波传感器1和第二超声波传感器2为超射波发射传感器，第一超声波传感器1作为反射阵元a，第二超声波传感器2作为发射阵元b，点c1为第七超声波传感器7和第八超声波传感器8所处位置；点c2为第五超声波传感器5和第六超声波传感器6所处位置；点c3为第三超声波传感器3和第四超声波传感器4所处位置；第三超声波传感器3、第四超声波传感器4、第五超声波传感器5、第六超声波传感器6、第七超声波传感器7及第八超声波传感器8为超声波接收传感器，第三超声波传感器3、第四超声波传感器4、第五超声波传感器5、第六超声波传感器6、第七超声波传感器7及第八超声波传感器8作为六个接收阵元。
本发明提供的测量风速和风向方法包括以下步骤：
步骤101：温湿度补偿单元将其检测的实时环境温湿度数据传给主控单元；主控单元根据所检测的实时环境温湿度值的变化来判断温湿度补偿单元中的温度检测模块和/或湿度检测模块是否出现故障，若温度检测模块和/或湿度检测模块无故障，主控单元根据温湿度补偿单元所测量的温湿度值来校正超声波传播速度，若温度检测模块和/或湿度检测模块出现故障，则主控单元控制报警单元发出第二报警信号；
步骤102：建立超声波传感器阵列结构；所述超声波传感器阵列包括用于发射超声波信号的两个超声波发射传感器，六个用于接收超声波信号的超声波接收传感器，主控单元控制两个超声波发射传感器在相等的时间间隔t内交替发射同频率的超声波信号；两个超声波发射传感器分别为超声波发射传感器a和超声波发射传感器b，超声波发射传感器a作为发射阵元a，超声波发射传感器b作为发射阵元b；六个超声波接收传感器作为六个接收阵元，六个接收阵元分别为接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3、接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3，所述接收阵元ca1、接收阵元ca2及接收阵元ca3分别与发射阵元a连线之间的夹角为45°，所述接收阵元cb1、接收阵元cb2及接收阵元cb3分别与发射阵元b连线之间的夹角为45°；所述接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3及发射阵元a组成超声波传感器子阵列ac；所述接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3及发射阵元b组成超声波传感器子阵列bc；
步骤103：以步骤102中所述超声波传感器子阵列ac中的接收阵元ca1为参考阵元，获取所述的超声波传感器子阵列ac中发射阵元a到达所述的超声波传感器子阵列ac中各个接收阵元时，相对于所述的超声波传感器子阵列ac中发射阵元a到达所述的超声波传感器子阵列ac中参考阵元ca1的时间延迟数据；
具体时间延迟数据经过如下过程获得：
获取超声波传感器子阵列ac中的发射阵元a向所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3发射的超声波信号的传播速度；所述传播速度公式为：
式(1)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度，vca1表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca1方向传播时的传播速度，vca2表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca2方向传播时的传播速度，vca3表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca3方向传播时的传播速度；
获取所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中各接收阵元的时间表达式；所述时间计算表达式为：
式(2)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度，tca1表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca1的时间,tca2表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca2的时间,tca3表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca3的时间；
根据所述时间计算表达式(2)，获取所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述参考阵元ca1的时间延迟计算表达式；所述时间延迟计算表达式为：
式(3)中，τca1表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca1时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述参考阵元ca1时的时间差，τca2表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca2时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述参考阵元ca1时的时间差，τca3表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述接收阵元ca3时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列ac中所述参考阵元ca1时的时间差。
步骤104：以步骤102中所述超声波传感器子阵列bc中的接收阵元cb1为参考阵元，获取所述的超声波传感器子阵列bc中发射阵元b到达所述的超声波传感器子阵列bc中各个接收阵元时，相对于所述的超声波传感器子阵列bc中发射阵元b到达所述的超声波传感器子阵列bc中参考阵元cb1的时间延迟数据；
具体时间延迟数据经过如下过程获得：
获取超声波传感器子阵列bc中的发射阵元b向所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3发射的超声波信号的传播速度；所述传播速度公式为：
式(4)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度,vcb1表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb1方向传播时的传播速度，vcb2表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb2方向传播时的传播速度，vcb3表示超声波信号向所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb3方向传播时的传播速度；
获取所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中各接收阵元的时间表达式；所述时间计算表达式为：
式(5)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度，tcb1表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb1的时间,tcb2表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb2的时间,tcb3表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb3的时间；
根据式(5)获取所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述参考阵元cb1的时间延迟计算表达式；所述时间延迟计算表达式为：
式(6)中，θ为待测风的风向，v为待测风的风速，c为校正之后的超声波传播速度，τcb1表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb1时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述参考阵元cb1时的时间差，τcb2表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb2时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述参考阵元cb1时的时间差，τcb3表示所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述接收阵元cb3时与所述超声波信号到达所述超声波传感器子阵列bc中所述参考阵元cb1时的时间差。
步骤105：主控单元采样并储存超声波传感器子阵列ac和超声波传感器子阵列bc所接收的含有风速风向信息的超声波信号作为阵列数据；
具体阵列数据经过如下过程获得：
根据公式(7)确定所述发射阵元a及发射阵元b发射的超声波信号，其中超声波信号为单频窄带信号；所述公式(7)为：
s(t)＝u(t)ej[wt+φ(t)](7)
式(7)中，s(t)表示发射阵元a及发射阵元b所发射的超声波信号表示形式,u(t)为所述超声波信号的幅度，
s(t-τ)＝s(t)e-jwτ(8)
根据公式(9)确定所述超声波传感器子阵列ac所接收阵列数据；所述公式(9)为：
式(9)中，xca1(t)、xca2(t)、xca3(t)表示超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3所接收到的数据,nca1(t)、nca2(t)、nca3(t)为所述超声波传感器子阵列ac中接收阵元ca1、接收阵元ca2、接收阵元ca3所接收的噪声，且各接收阵元接收的噪声彼此之间独立，s(t-τca1)表示经过时间延迟τca1之后的超声波信号表示形式，s(t-τca2)表示经过时间延迟τca2之后的超声波信号表示形式，s(t-τca3)表示经过时间延迟τca3之后的超声波信号表示形式；
根据公式(10)确定所述超声波传感器子阵列bc所接收阵列数据；所述公式(10)为：
其中xcb1(t)、xcb2(t)、xcb3(t)表示超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3所接收到的数据，ncb1(t)、ncb2(t)、ncb3(t)为所述超声波传感器子阵列bc中接收阵元cb1、接收阵元cb2、接收阵元cb3所接收的噪声，且各接收阵元接收的噪声彼此之间独立，s(t-τcb1)表示经过时间延迟τcb1之后的超声波信号表示形式，s(t-τcb2)表示经过时间延迟τcb2之后的超声波信号表示形式，s(t-τcb3)表示经过时间延迟τcb3之后的超声波信号表示形式；
根据公式(9)和公式(10)获取所述超声波传感器阵列所接收的阵列数据信息；所述超声波传感器阵列所接收的阵列数据矩阵x(t)为：
步骤106：主控单元根据所述步骤103和步骤104中的时间延迟数据及所述步骤105中的阵列数据，采用波束形成算法，得到待测风的风速和风向。
具体获取风速和风向的具体过程如下：根据公式(11)获取超声波传感器阵列的阵列流型矢量；所述的超声波传感器阵列的阵列流型矢量a为：
根据公式(13)确定所述波束形成算法的加权矢量w；所述公式(13)为：
其中a(θ,v)表示超声波传感器阵列的阵列流型，根据所述波束形成算法的加权矢量，确定经过波束形成算法处理之后的超声波传感器阵列，所述的超声波传感器阵列输出功率的计算公式为：
p(θ,v)＝whrw＝ah(θ,v)ra(θ,v)(14)
其中r为阵列数据矩阵x(t)的协方差矩阵，即r＝[x(t)xh(t)]，ah(θ,v)表示复数矩阵a(θ,v)的共轭转置，wh表示复数矩阵w的共轭转置，xh(t)表示阵列数据矩阵x(t)的共轭转置；
根据所述阵列数据和公式(14)，计算所述超声波传感器阵列输出功率的最大值，并将所述超声波传感器阵列输出功率最大值所对应的风速风向确定为待测的风速风向值。
实施例二
为了验证本发明提供方法的可行性，设计了验证可行性的仿真实验，仿真实验在matlab软件上进行。仿真实验条件为：模拟发射阵元发射的超声波信号频率为40khz，接收阵元所接收的噪声为加性高斯白噪声。风速扫描范围是0～60m/s，步长为0.1m/s。风向角扫描范围为0°～359°，步长为1°，快拍数为5000，在信噪比snr＝10db时，分别估计以下随机三组风速风向参数：
第一组参数：v＝5.1m/s；θ＝45°
第二组参数：v＝21.3m/s；θ＝135°
第三组参数：v＝51.7m/s；θ＝315°
图4a及图4b为本发明实施例v＝5.1m/s；θ＝45°的风参谱峰示意图；图5a及图5b为本发明实施例v＝21.3m/s；θ＝135°的风参谱峰示意图；图6a及图6b为本发明实施例v＝51.7m/s；θ＝315°的风参谱峰示意图。
如图4a、图4b、图5a、图5b、图6a及图6b所示，第一组的仿真结果为：v＝5.1m/s；θ＝45°。第二组的仿真结果为：v＝21.3m/s；θ＝135°。第三组的仿真结果为：v＝51.7m/s；θ＝315°。
从如图4a、图4b、图5a、图5b、图6a及图6b所示及仿真结果来看，本发明提供的方法可以实现风速风向的准确测量，所以本发明所设计的基于多发多收超声波传感器的测风装置及所使用测风方法是可行的。
在可行性的基础上，验证在不同信噪比条件下的风速风向测量结果的不确定度和风速风向测量结果的成功率。实验假设：snr＝-10～10db，步长为2db，每个信噪比下做200次蒙特卡洛实验，分别估计以下随机三组参数：
第一组参数：v＝5.1m/s；θ＝45°
第二组参数：v＝21.3m/s；θ＝135°
第三组参数：v＝51.7m/s；θ＝315°
所用不确定度表示公式为：
图7为本发明实施例风速估计不确定度图；图8为本发明实施例中风向估计不确定度图，图8中的theta与所述的风向θ所表述含义一样；
如图7所示，随着信噪比的增加，波束形成算法对风速估计的不确定度也随之降低，且在信噪比snr≥0db时，波束形成算法几乎能无差的估计出风速值。
如图8所示，随着信噪比的增加，波束形成算法对风向估计的不确定度也随之降低，在信噪比snr≥0db时，波束形成算法几乎能无差的估计出风向值。
通过图7和图8可知，在相同信噪比的情况下，波束形成算法对风速的估计结果比对风向的估计结果更加准确。
图9为本发明实施例中风速估计成功率图；图10为本发明实施例中风向估计成功率图，图10中的theta与所述的风向θ所表述含义一样；
如图9所示，随着信噪比的增加，波束形成算法对风速估计的成功率也不断增加，且在信噪比snr≥2db时，波束形成算法几乎能百分之百的正确估计出风速值。
如图10所示，随着信噪比的增加，波束形成算法对风向估计的成功率也不断增加，且在信噪比snr≥2db时，算法几乎能百分之百的正确估计出风向值，
本发明实施例是基于所设计的基于多发多收超声传感器的测风装置，用波束形成算法实现风速和风向的高精度测量。
本说明书中各个实施例之间采用递进的方式进行描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例所描述的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参加方法部分说明即可。
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