一种环境自适应的超声测风系统

1.本发明涉及风速和风向测量技术领域，具体涉及一种环境自适应的超声测风系统。


背景技术：

2.精确的测量地表平面的风速和风向数据，这在当今社会各个行业都有着非常广泛的需求，例如在天气预报上、军事上、航海上、体育运动上等等。传统机械式测风仪结构简单，技术成熟，多采用光电管方式或者磁编码方式测量风速风向，在风力发电、气象监测、铁路等行业应用广泛，但其存在机械磨损、阻塞、冰冻等问题，不能长时间稳定可靠的工作于沙尘、冻雨等恶劣气候环境。
3.目前，随着超声技术的发展，超声测风技术也得到发展，超声波测风仪作为一种非接触式的测量仪器仪表，具有安装简单，不需要考虑机械磨损，维护方便，测量精度高，测量范围大的优点，这使得它被国内具有测风需求的各个行业所关注。由于对超声波测风的研究起步晚、技术不成熟、研发成本高等原因，国内厂家在超声波测风方面多处于仿制研发阶段，与国外还有较大差距。存在系统不稳定、霜雪等恶劣天气测量误差大的缺点，目前国内超声测风仪基本都采用温度补偿的方法来弥补超声波在空气中传播速度误差，在雷电、适应环境方面也较为薄弱，部分地区冬季较为寒冷，温度在0度以下，超声测风系统在低温下，存在因超声波换能器和反射面结冰导致测风仪无法正常工作的问题，南方部分地区雷电较多，野外湿度大等，也影响测风系统的稳定性和测量精度，因此研制一台测量精度高、产品性能好，电路简单，抗霜雪、防雷击等恶劣天气能力强的超声波测风系统具有重大的现实意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种环境自适应的超声测风系统。
5.为了实现上述目的，本发明提出了一种环境自适应超声测风系统，所述系统包括：风向风速测量模块、中央处理模块、自恢复模块和雷电保护模块；其中，
6.所述风向风速测量模块，用于在中央处理模块的控制下依次发射超声信号进行风速自校准得到校准飞行时间并发送至中央处理模块，发射超声信号进行风速测量得到测量飞行时间并发送至中央处理模块；
7.所述中央处理模块，用于定时启动风向风速测量模块工作，用于控制风向风速测量模块在自校准后发射超声信号进行风速和风向测量，用于根据校准飞行时间和测量飞行时间计算得到风速和风向角，并按照固定格式输出；还用于控制自恢复模块工作以满足测试的温度和湿度条件；
8.所述自恢复模块，用于测量环境的温度、湿度和水汽指标后输入中央处理模块，并在中央处理模块的控制下启动加热模式以使得风向风速测量模块的温度、湿度和水汽指标满足测试条件；
9.所述雷电防护模块，用于防止受到雷电破坏。
10.作为上述系统的一种改进，所述风向风速测量模块包括时间测量单元、发射驱动单元、通道选择单元、自校准单元、测风单元和接收单元；其中，
11.所述时间测量单元，用于在中央处理模块的控制下产生特定频率的脉冲信号并发送至发射驱动单元，用于根据校准回波信号计算得到校准飞行时间t
56
并发送至中央处理模块，还用于根据测量回波信号分别计算得到东西方向上的顺风时间t
12
、东西方向上的逆风时间t
21
、南北方向上的顺风时间t
34
和南北方向上的逆风时间t
43
，并分别发送至中央处理模块；
12.所述发射驱动单元，用于对脉冲信号的幅值进行放大并输入通道选择单元；
13.所述通道选择单元，用于在中央处理模块的控制下选择自校准单元和测风单元交替工作，用于选择测风单元从东西南北四个方向交替发射超声信号，用于接收自校准单元采集的校准回波信号输入时间测量单元；还用于接收测风单元采集的测量回波信号输入时间测量单元；
14.所述自校准单元，用于在固定距离内发射超声信号并将接收的校准回波信号输入通道选择单元；
15.所述测风单元，包括四个测量超声波探头和超声波反射挡板，其中，所述四个测量超声波探头均为收发一体式超声波探头，分别设置于东西南北四个位置，东部位置和西部位置的测量超声波探头互为收发状态，用于将接收的东西方向上的顺风和逆风的测量回波信号分别输入通道选择单元，南部位置和北部位置的测量超声波探头互为收发状态，用于将接收的南北方向上的顺风和逆风的测量回波信号分别输入通道选择单元；所述超声波反射挡板设置于四个测量超声波探头的上方；
16.所述接收单元，用于对接收的校准回波信号和测量回波信号分别进行放大滤波处理并输入时间测量单元。
17.作为上述系统的一种改进，所述自校准单元包括第一自校准超声波探头和第二自校准超声波探头，所述第一自校准超声波探头和第二自校准超声波探头正对设置，距离固定，所述第一自校准超声波探头为发射探头，所述第二自校准超声波探头为接收探头。
18.作为上述系统的一种改进，所述接收单元包括串联的限幅电路和信号处理电路；
19.其中，
20.所述限幅电路，用于对接收的回波信号进行幅度限制并输入信号处理电路；
21.所述信号处理电路包括串联的前级放大器和带通滤波电路；
22.所述前级放大器，用于对幅度限制的回波信号进行放大处理；
23.所述带通滤波电路，用于对放大的回波信号进行滤波处理并输入时间测量单元。
24.作为上述系统的一种改进，所述中央处理模块包括：自唤醒单元、测风及自校准控制单元、风速及风向计算单元和自恢复控制单元；其中，
25.所述自唤醒单元，用于定时启动风向风速测量模块和自恢复模块工作；
26.所述测风及自校准控制单元，用于控制自校准单元和测风单元依次工作；
27.所述风速及风向计算单元，用于根据时间测量单元输出的校准飞行时间t
56
计算得到校准风速，根据校准风速和东西方向上的顺风时间t
12
、东西方向上的逆风时间t
21
、南北方向上的顺风时间t
34
以及南北方向上的逆风时间t
43
，计算得到风速和风向，并按照固定格
式输出；
28.所述自恢复控制单元，用于根据自恢复模块测量的温度、湿度和水汽指标，进行判断，如果湿度大于等于70％或者温度低于10
°
或者检测到水珠，则启动自恢复模块的加热功能；如果湿度小于70％并且温度高于10
°
并且没有检测到水珠时，则停止自恢复模块的加热功能。
29.作为上述系统的一种改进，所述风速及风向计算单元的具体实现过程为：
30.对接收的东西方向上的顺风或逆风的测量回波信号以及南北方向上的顺风或逆风的测量回波信号分别进行离散小波变换；
31.采用db3小波对接收的东西方向上的顺风时间t
12
、东西方向上的逆风时间t
21
、南北方向上的顺风时间t
34
以及南北方向上的逆风时间t
43
分别进行四层分解；
32.采用软阈值处理操作，表达式如下式：
[0033][0034]
其中，η(w)表示阈值后的小波系数，w表示原始小波系数，sgn(w)为符号函数，t为周期；
[0035]
固定阀值λ为：
[0036][0037]
其中，n为数据长度，σ为测量数据中高斯白噪声对应的标准差；
[0038]
根据第一自校准超声波探头和第二自校准超声波探头之间的距离d，校准飞行时间t
56
，计算得到校准风速v1为：
[0039]
v1＝d/t
56
[0040]
根据东西方向上的顺风时间t
12
和东西方向上的逆风时间t
21
，计算得到测量单元任一测量超声波探头与反射点之间的距离l为：
[0041]
l＝v1(t
12
+t
21
)/4
[0042]
根据下式计算得到东西方向一维风速v
x
为：
[0043][0044]
其中,θ为测量单元任一测量超声波探头旋转的角度；
[0045]
根据南北方向上的顺风时间t
34
和南北方向上的逆风时间t
43
，计算得到南北方向一维风速v
y
为：
[0046][0047]
根据下式计算得到二维风速v为：
[0048][0049]
风向角为：
[0050][0051]
其中，第一象限时实际风向角为第二象限时实际风向角为第三象限时实际风向角为第四象限时实际风向角为
[0052]
作为上述系统的一种改进，所述自恢复模块包括温湿度检测电路、水汽检测电路和加热电路；其中，
[0053]
所述温湿度检测电路，用于获取环境的温度和湿度并发送至中央处理模块；
[0054]
所述水汽检测电路，安装在所述测风单元的超声波反射挡板的背面，用于检测所述超声波反射挡板表面是否存在水珠/水汽；
[0055]
所述加热电路，用于在中央处理模块的控制下启动以驱除水珠/水汽。
[0056]
作为上述系统的一种改进，所述环境自适应超声测风系统还包括供电模块，用于提供所述系统工作用的直流电源。
[0057]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0058]
1、本发明能适应在各种环境下使用。系统其集成了自动适应、自动校准等功能。适应环境环境能力强，比如雨雪天气、冰霜天气等；
[0059]
2、本发明提出的自动校准功能，采用系统自身携带的双超声探头，采用探头对射方式进行声学自我校准，有别于以往单一靠温度和气压测量进行测量补偿的方法，有效避免补偿方法多中传感器测量累积误差影响测量精度；
[0060]
3、本发明测量精度高，除了采用自校准外，还采用高精度时间数字转换芯片，飞行时间分辨率可达11ps，能有效提高超声测风系统测量精度；
[0061]
4、本发明还具备防雷电功能，防雷电路设计小型化，有利系统集成的小型化，能有效抗击浪涌，保护系统在雷电环境下，平稳工作且不损坏。
附图说明
[0062]
图1是本发明的环境自适应的超声测风系统的组成原理框图；
[0063]
图2是本发明的环境自适应的超声测风系统的dc12v
‑
dc5v电源电路原理图；
[0064]
图3是本发明的环境自适应的超声测风系统的dc5v
‑
dc3v电源电路原理图；
[0065]
图4是本发明的环境自适应的超声测风系统的温湿度检测电路原理图；
[0066]
图5是本发明的环境自适应的超声测风系统的水汽检测比较电路原理图；
[0067]
图6是本发明的环境自适应的超声测风系统的加热电路原理图；
[0068]
图7是本发明的环境自适应的超声测风系统的发射驱动电路原理图；
[0069]
图8是本发明的环境自适应的超声测风系统的接收单元的限幅及一级放大电路原理图；
[0070]
图9是本发明的环境自适应的超声测风系统的接收单元的二级放大及滤波电路原理图；
[0071]
图10是本发明的环境自适应的超声测风方法的超声探头校准原理示意图；
[0072]
图11是本发明的环境自适应的超声测风方法的软件主流程图；
[0073]
图12是本发明的环境自适应的超声测风方法的时间数字转换软件流程图。
具体实施方式
[0074]
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0075]
如图1所示，本申请提出了环境自适应的超声测风系统，系统组成原理框图所示，系统包括：风向风速测量模块、中央处理模块、自恢复模块、雷电保护模块以及电源管理模块；
[0076]
中央处理模块，采用smt32f407芯片，stm32f407控制整个系统的工作逻辑和对测量数据进行计算处理，它具有更先进的内核、更多的资源集、更强的外设功能、更高的性能，最高运行频率可达168mhz，其极大的提高控制算法的执行速率。
[0077]
电源管理模块，dc12v经过插座，通过自恢复保险丝后接入系统，利用dc
‑
dc转换芯片将dc12v变换为dc5v，本发明选用lm2956电源芯片，其输入电压范围：4.5
‑
40v，输出电压范围：1.2
‑
37v，输出电流可达：3a。图2为dc12v
‑
dc5v电源电路原理图；图3为dc5v
‑
dc3v电源电路原理图；u1为lm2596
‑
adj可调电源芯片，r1、r2为反馈电阻，zd1为肖特基二极管、l1为功率电感、c2和c3为输入滤波电容、c4和c5为输出滤波电容。可根据下列公式，按输出电压值的计算反馈电阻的阻值。
[0078][0079]
其中，r2、r1为反馈电阻，v
out
为输出电压；v
ref
为1.23v。
[0080]
dc5v转换为dc3.3v，本发明采用ams1117
‑
3.3芯片，该芯片为低噪声低压差ldo，其输出电流为800ma。输入和输出的滤波电容选用高品质的钽电容，对滤除低频信号杂波效果明显。此电路转换后的电压提供给中央处理模块供电及其部分需要3.3v供电的外围设备。
[0081]
自恢复模块，包括：温湿度检测电路、水汽检测电路和加热电路。
[0082]
温湿度检测电路采用sht30芯片，其电路原理如图4所示，其温度检测范围：
‑
40
°
到125
°
，湿度检测范围是0
‑
100％rh。其工作原理是通过iic协议和mcu建立通信，mcu写寄存器和读出寄存器的值。获取传感器监测的温湿度。
[0083]
水汽检测电路，检测电路板采用镀镍处理表面，能抗氧化、具有导电性的特点，同时采用宽电压的lm393比较器作为检测电路输出，其驱动能力强，以数字开关量ttl信号形式输出。其比较电路原理图见图5所示，检测电路传感器安装于测风系统顶部的反射面，当反射面有水滴水珠时，电路板即可感应，且通过比较器得到数字信号。
[0084]
加热电路，主要用于在低温、雨露、冰雪环境下对系统进行加热，确保系统工作在最优工作环境。其工作原理见图6所示，当pc1脚为高电平时，u3的tlp621就会导通，进而三极管q1也导通，则此时电流流过j1接口，加热电阻开始加热。反之如果pc1为低电平，发热电阻不加热。
[0085]
风向风速测量模块包括时间测量单元、发射驱动单元、通道选择单元、自校准单元、测风单元和接收单元；
[0086]
时间测量单元，采用高精度tdc
‑
gp30时间数字转换芯片进行飞行时间测量，提高测量精度。其单个tdc分辨率可达11ps，通过spi接口和外部mcu进行通信，测量频率0.25hz到100hz，首波监测，带有可编程的监测阀值，可编程1
‑
128个脉冲序列，脉冲发射频率从35khz到4mhz，中央处理模块通过spi配置tdc
‑
gp30的寄存器，可以产生200khz的脉冲序列，经过发射驱动电路后驱动换能器正常工作。同时内部产生一个start信号，start信号沿着
有固定传播时间的逻辑门形成的传播链进行传播。接收到的回波信号经过放大滤波整形以后触发门限值产生一个stop信号。根据stop信号到来时start信号通过逻辑门的个数就可以求得一次单向传播的时间。
[0087]
接收到包络信号后，首先通过阀值比较电路进行阀值比较，在tdc
‑
gp30中阀值电压可编程范围
‑
224mv
‑
200mv，当第一个超声波包络电信号超过阀值电压后，芯片自动识别此波形信号，并进行第一波采样，同时检测电压降为0v。
[0088]
发射驱动单元，电路如图7所示，脉冲信号通过u4前级放大，当q2的r11处的引脚是高电平时导通,电源对高频变压器tl供电，c7储能，当q2闭合时，电源对c7电容充电，当ml导通时电容放电提供能量。信号经过高频变压器t1后，脉冲信号幅度vpp可达110v以上，从而可以驱动换能器发出超声信号。4个in4148可对信号起到整流的作用。
[0089]
接收单元，主要包括限幅电路、前级放大电路、带通滤波电路。如图8所示为限幅及一级放大电路原理图，如图9所示为二级放大及滤波电路原理图，图8的输出接入图9的输入。该接收单元接收到信号后，首先经过d1和d2组成的限幅电路，限制最大输入电压可避免过大的信号输入导致电路损坏。由于接收到的回波信号比较弱且噪声干扰严重，直接进行滤波会把有用信号滤除影响时间测量，因此接收信号经过限幅后，进行前级放大，u1a和u1b的tl082cdr构成了前级放大电路，放大之后要经过二阶带通滤波电路进行滤波，电路中的u2a即为滤波电路。
[0090]
超声波接收电路的信号中，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声，而前置放大电路在放大有用信号的同时，会将一部分的噪声信号同时放大。于是设计高品质因数的滤波器对于整个系统十分重要。滤波器中心角频率可通过下式计算：
[0091][0092]
为方便计算，可令c3＝c4＝0.33uf,f0＝200khz，r5＝2r，r
11
＝r
13
＝r。而ω0＝2πf0。
[0093]
雷电防护模块，属于持续工作状态。该模块的电路采用压敏电阻和气体放电管组成，实现小型化防雷设计，有利系统集成。
[0094]
其工作原理是在无浪涌时，处于开路状态，浪涌到来时，放电管内的电极板关合导通。浪涌消失时，极板恢复到原来的状态。
[0095]
基于上述系统，具体的工作流程如图11所示，系统上电复位，stm32f4进行初始化，随之进入休眠状态，当定时时间到，结束休眠，系统开始正常工作，先判断工作环境是否在设定门限值内，如不在范围内，则启动加热模块对系统进行恢复，如在，则启动配置时钟数字转换芯片和通道选择，开始校准和风速风向的测量和输出。具体步骤包括：
[0096]
步骤1)电源系统上电。
[0097]
系统经过初始化后，系统进入休眠，每隔20分钟自行唤醒进入工作状态。
[0098]
步骤2)系统进入工作状态。
[0099]
步骤2
‑
1)启动和自恢复。定时20分钟，系统自行唤醒并启动，进入正常工作状态。首先自恢复模块进入工作状态，检测环境温湿度、水汽检测，判断系统工作环境状态。如果出现温度小于0
°
，湿度大于70％rh，超声波反射面板检测到水珠三种情况之一，则中央处理模块则启动加热模块进行测量环境恢复，待三个条件达到正常值时，启动下一步工作，否者
继续进行恢复回复单元工作。已确保测量结果的准确性。
[0100]
步骤2
‑
2)自校准。测风结构独立出一个透气且不受气流影响的仓室，在测风结构底部留有透气孔以确保仓内与外部环境条件相同，又保证校准超声探头不受气流影响；仓内一对校准探头对射且距离固定。其工作原理如图10所示，探头5接收来自探头6发出的超声信号，经过限幅电路、信号处理电路后，时间测量单元采集到经过信号处理后的波形，计算得到校准风速v1为：
[0101]
v1＝d/t
56
[0102]
由于校准超声探头和测量超声探头为同一工作频率，因此，所测量的v既为当前环境和温度下，超声波在空气中的传播速度，即校准速度。通过校准速度，能精确测量出根据校准风速和测量飞行时间计算得到测量超声波探头发射点与反射点之间的距离l；
[0103]
脉冲信号的生成和高精度时间测量。如图12所示，tdc
‑
gp30高精度时间数字转换芯片，主控stm32f407通过spi和其进行通信，可编程配置1到128个脉冲序列，本发明通过编程配置生成20个脉冲序列，该时间数字转换芯片脉冲发射频率范围35khz
‑
4mhz，本发明编程发出的脉冲频率是200khz，该芯片支持首波检测，带有可编程的检测阈值，单个tdc的分辨率可达11ps。
[0104]
步骤2
‑
3)风向风速测量。
[0105]
脉冲信号经过发射驱动电路，vpp将达到110v以上，从而驱动发射探头工作，超声探头1、2、3、4在处理单元的控制下，通过通道选择开关，四个测量用的超声探头交替充当发射和接收的工作。探头接收到反射信号后，信号经过前级放大、滤波处理，接收信号会触发时间数字转换芯片的stop引脚，从而时间数字转换芯片采集到飞行时间。
[0106]
中央处理模块从数字转换芯片的寄存器获得飞行时间后，对数据进行软件滤波降噪，本发明采用小波阀值降噪方法，其降噪过程如下：
[0107]
1)对原始信号进行小波分解，得到各细节高低频
[0108]
2)阀值设置，对小波分解的系数设置阀值。
[0109]
3)重建信号，使用近似数和阀值处理后的数据的细节系数重建新的信号。
[0110]
本系统采用db3小波对采集的时间数据进行4层分解。
[0111]
采用软阈值处理操作，表达式如下式：
[0112][0113]
其中，η(w)表示阈值后的小波系数，w表示原始小波系数，sgn(w)是符号函数。
[0114]
固定阀值，计算公式如下式：
[0115][0116]
其中，n为数据长度，σ为测量数据中高斯白噪声对应的标准差，
[0117]
数据降噪后累加求和取平均值即为当前的信号传播时间，系统根据这个时间计算某一方向的风速值，一维风速计算公式如下：
[0118]
[0119][0120]
其中，v
x
代表东西方向一维风速，v
y
代表南北方向一维风速，t
12
为东西方向上的顺风时间，t
21
为东西方向上的逆风时间，t
34
为南北方向上的顺风时间，t
43
为南北方向上的逆风时间，θ为超声波探头旋转的角度，探头发射点与反射点之间的距离l：
[0121]
l＝v1(t
12
+t
21
)/4
[0122]
根据一维风速，根据下式计算出二维风速v：
[0123][0124]
其风向角为：
[0125][0126]
第一象限时实际风向角为第二象限时实际风向角为第三象限时实际风向角为第四象限时实际风向角为
[0127]
其测量方式是：先选定一个方向测量，比如东西方向，测量n组从东到西的传播时间数据。然后交换发射接收探头的顺序，再测量n组从西到东的传播时间数据。然后对两组的数据先求其平均值，然后计算平均值的差值，即东西方向的超声波传播的时间差。以此类推，可以计算南北方向超声波传播时间差，即可求得这一阶段的风速值。其工作方法是：
[0128]
1)w发e收
[0129]
2)e发w收
[0130]
获取x方向的风速，
[0131]
3)s发n收
[0132]
4)n发s收
[0133]
获取y方向的风速，
[0134]
根据x和y方向的风速求取矢量v及风向。
[0135]
w表示东方向、e表示西方向、s表示南方向、n表示北方向。
[0136]
步骤2
‑
4)结果输出。
[0137]
中央处理模块将计算出来的风速和风向角，通过串口进行输出，串口传输波特率设置为115200。
[0138]
步骤3)系统完成一次测量后，将再次进入休眠状态，继续等待20分钟后的启动触发。
[0139]
步骤4)系统不停循环以上步骤1)
‑
步骤3)。
[0140]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。