一种环境自适应的超声测风系统

文档序号:24644621发布日期:2021-04-13 14:39阅读:来源:国知局

技术特征:
1.一种环境自适应超声测风系统,其特征在于,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,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;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;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;所述雷电防护模块,用于防止受到雷电破坏。2.根据权利要求1所述的环境自适应超声测风系统,其特征在于,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,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
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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
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和南北方向上的逆风时间t
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,并分别发送至中央处理模块;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;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;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;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;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。3.根据权利要求2所述的环境自适应超声测风系统,其特征在于,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。
4.根据权利要求2所述的环境自适应超声测风系统,其特征在于,所述接收单元包括串联的限幅电路和信号处理电路;其中,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;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;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;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。5.根据权利要求2所述的环境自适应超声测风系统,其特征在于,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,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;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;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
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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
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以及南北方向上的逆风时间t
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,计算得到风速和风向,并按照固定格式输出;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。6.根据权利要求5所述的环境自适应超声测风系统,其特征在于,所述风速及风向计算单元的具体实现过程为: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;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
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分别进行四层分解;采用软阈值处理操作,表达式如下式: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;固定阀值λ为: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;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
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,计算得到校准风速v1为:v1=d/t
56
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:l=v1(t
12
+t
21
)/4根据下式计算得到东西方向一维风速v
x
为:
其中,θ为测量单元任一测量超声波探头旋转的角度;根据南北方向上的顺风时间t
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和南北方向上的逆风时间t
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,计算得到南北方向一维风速v
y
为:根据下式计算得到二维风速v为:风向角为: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7.根据权利要求2所述的环境自适应超声测风系统,其特征在于,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,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;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;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。8.根据权利要求1所述的环境自适应超声测风系统,其特征在于,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。
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