一种基于声参量阵的风速测量方法与流程

本发明涉及一种风速测量方法，特别是一种基于声参量阵的风速测量方法。

背景技术：

无论在科学研究中，还是在工业生产中，风速测量都有大量的应用，尤其在气象领域和风力发电领域，风速测量有着更为重要的应用价值。近年来，风速测量技术发展迅速，测量手段多样化，主要采用的方法包括皮托管测风速法、热式传感器测风速法、机械式测风速法及超声波测风速法等。

目前较先进的是超声波风速测试技术，虽然克服了传统测量方法的缺点，但无法实现大空间范围内的风速测试，限制了风的应用范围。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，利用声参量阵可以产生独特的高指向性低频声波，并能将其传播到很远距离的特性，本发明公开了一种利用时差法测量原理建立声参量阵风速测试方法，实现远距离、大空间范围内的风速测试。

本发明的一种基于声参量阵的风速测量方法，包括下列步骤：

步骤1：设置测量模型：在东南西北四个方向设置四个收发一体式的测声探头:探头E、探头W、探头N、探头S，四个测声探头的连线成“十”字形，且探头E与探头W、探头N与探头S之间的距离均设置为d；

步骤2：将低频声波信号调制在高频超声波信号上，将已调信号经过声参量矩阵进行发射，其中发射装置为经测量模型的测声探头。声参量阵技术是音频信号经过信号处理后形成含有该音频信号的超声波，由换能器发射到空气中，然后该超声波在空气中会自解调出高指向的低频声。

步骤3：提取低频声波在探头E与探头W、探头N与探头S之间的传播时间，得到当前风速测量值其中t_EW表示低频声波从探头E传播到探头W的传播时间，t_WE表示低频声波从探头W传播到探头E的传播时间，t_NS表示低频声波从探头N传播到探头S的传播时间，t_SN表示低频声波从探头S传播到探头N的传播时间。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：与超声波风速测量方法相比，本发明可以测量大空间范围内的风速；与采用可听声测量风速的方法相比，本发明利用声参量阵可以产生高指向性可听声束的特点，克服了其易受多途干扰的缺点；本发明不仅具有传统声波风速测量方法的优点，同时对于大范围空间风速测量，以及在获得精度更高的风速方面具有特有优势。

附图说明

图1示出了声参量阵产生高指向低频声；

图2示出了二维风速风向测量模型；

图3示出了风速矢量分解图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

图1示出了通过声参量阵获得高指向低频声，其中f1、f2表示两个高频超声波信号的频率。本发明的具体实施方法如下：

步骤1：利用声参量阵系统获得高指向性的低频声，经过测声探头发射和接收高指向性的低频声：

将频率范围一般在1～10kHz的低频声波信号调制在高频超声波信号上，高频超声波信号频率范围一般取35～55kHz，将已调信号经过宽带声参量阵发射到无风空气中，即将经调制后产生的两个不同频率(f1和f2)的高频超声波信号(含有低频声波信号)，经过换能器发射后在空气中经过非线性交互作用，自解调产生低频声信号。

步骤2：测量测声探头之间传播低频声的传播时间：

201：测量测风探头(声波发射和接收一体式探头)之间的距离d(用于设置测量模型中两两相对的两个探头的距离)，在一维空间上，假设两个测风探头(声波发射和接收一体式探头)之间的距离为d，顺风时声波从探头1传播到探头2所需时间为t₁₂，逆风时声波从探头2传播到探头1所需时间为t₂₁，风速为V，声波的传播速度为Vs；

202：本发明采用时差法进行风速测量，根据时差法原理可知测得精准的时间差是提高风速测量精度的关键，经仿真对比本发明采用广义互相关算法。

步骤3，建立二维风速风向测量模型，结合步骤1与步骤2的测量结果，通过公式计算，可得到水平面上的风速风向值V：

301：图2示出了二维风速风向测量模型，风速是一个矢量，在空间中可分解为相互垂直的三个方向上的风速分量，本发明只测量水平方向上的风速风向值，不考虑其在垂直于水平面方向上的风速分量，为此建立二维风速风向测量模型，如图2所示放置，两两相对放置于同一水平线上，两对测风探头间隔的距离相等，并且四个探头安置于同一个水平面内,分别代表东、南、西、北四个方向。

302：图3示出了风速矢量分解图，将风速矢量分解为水平方向和垂直方向上的两个分量，如图3所示，图中θ为风向。

303：根据模型计算风速与风向，其中东西方向上的风速分量为：南北方向上的风速分量为：

进而由风速矢量与两个方向上的风速分量的关系式：可以求得最终风速为：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。