一种高精度的临近空间实时原位测风的装置及其方法与流程

本发明属于大气风场原位探测的技术领域，具体涉及一种高精度的临近空间实时原位测风的装置及其方法。

背景技术：

由于临近空间是一个低温低气压环境，与地面附近的大气参数存在非常大的差别。因此，这种差别导致现有的地面原位测风装置无法用于高空大气风场的测量。并且气球探空仪、下投探空仪和火箭探空仪等原位测风手段都是将探空气球或者降落伞作为风的示踪物来实现风场测量。但是，只能一次性探测大气风场的单个垂直剖面，无法满足大的空间覆盖范围的风场探测需求。总之，目前还没有实时原位测风装置和方法能够在临近空间，特别是平流层高度进行大范围长时连续测风。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决现有的原位测风装置存在上述缺陷，以及满足临近空间大气风场数据的大范围、长时连续、实时的原位探测需求，提供了临近空间实时原位测风的装置及其方法，不仅容易实现，而且不需要计算声速，因此在风场反演过程中，消除了声速误差的影响，提高了测风精度。

为实现上述目的，本发明提供一种高精度的临近空间实时原位测风的装置，可以应用于临近空间大气风场的测量，采用了一对扬声器和声传感器，通过测量声波在顺风情况和逆风情况下的传播时间延迟的方法获取风速。该装置仅需要采用一对扬声器和声传感器，通过旋转机构实现了对高空大气水平风场的探测，在风速反演过程中，不需要确定声速，因此消除了声速误差的影响，提高了风场反演的精度。

本发明提供了一种高精度的临近空间实时原位测风的装置，其包括：

声传感器，用于声波发射信号的接收；

扬声器，用于声波发射信号的发射；

旋转机构，用于所述扬声器和所述声传感器的转动；

收发控制子装置，用于为所述旋转机构提供控制信号、产生并放大声波发射信号、将接收的声波发射信号转换为数字信号；

数据处理子装置，用于大气风场的反演；

所述声传感器与所述扬声器相对放置，且二者在同一水平线上；所述旋转机构位于所述声传感器和所述扬声器的下方，用于周期性旋转所述声传感器和所述扬声器。

利用所述旋转机构将扬声器和声传感器以两者距离的中心位置为圆心旋转180°，分别接收旋转前和旋转后的数字信号，对应得到在顺风情况下，声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t1和逆风情况下，声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t2；再根据公式(1)获得沿扬声器-声传感器方向上的一维风速v，其中，所述扬声器-声传感器方向为y方向；

其中，l为扬声器和声传感器之间的距离，t1为旋转前的顺风时声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟，t2为旋转180°后逆风时声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；

优选地，在获得一维风速v的基础之上，所述旋转机构将扬声器和声传感器整体转动90°，与一维风速矢量呈垂直关系，假设一维风速矢量的方向为y方向，扬声器和声传感器整体与一维风速矢量垂直的方向为x方向，构成两个正交方向；

通过数据处理子装置分别得到在x方向上顺风情况下，声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t1′和逆风情况下，声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t2′；利用公式(2)得到x方向上的风速v′；

根据公式(3)，获得二维风场的风速vw；

若y方向沿正北方向，二维风场的风向由下式得到：

其中φ为二维风场的风向。

基于上述高精度的临近空间实时原位测风装置，本发明提供了一种高精度的临近空间实时原位测风的方法，具体包括：

步骤1)收发控制子装置产生声波发射信号，所述声波发射信号放大后传输至所述扬声器，所述扬声器发射所述声波发射信号；

步骤2)所述声传感器接收所述声波发射信号，并将其转换为电信号后，再通过所述收发控制子装置将其转化为数字信号，然后将数字信号传输至所述数据处理子装置；

步骤3)所述数据处理子装置接收所述数字信号，并将接收到的数字信号进行滤波降噪处理后，再将其与所述声波发射信号进行互相关处理，得到顺风情况下的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t1；

步骤4)收发控制子装置控制所述旋转机构，将扬声器和声传感器以两者距离l的中心位置为圆心旋转180°，重复步骤1)-步骤3)，得到逆风情况下声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t2；

步骤5)所述数据处理子装置将步骤3)得到的t1和步骤4)得到的t2，以及声传感器与扬声器之间距离l，根据公式(1)得到一维风速v；

优选地，所述旋转机构将扬声器和声传感器整体旋转90°到与风速矢量的方向垂直，形成两个正交方向，若风速矢量的方向为y方向，扬声器和声传感器整体与风速矢量垂直的方向为x方向；

再通过步骤3)，得到在顺风情况下声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t1′；再通过步骤4)，得到在逆风情况下，声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t2′；

利用公式(2)得到x方向上的风速v′；

根据公式(3)，获得二维风场的风速vw；

若y方向沿正北方向，二维风场的风向由下式得到：

其中φ为二维风场的风向。

本发明的高精度的临近空间实时原位测风装置可以搭载在临近空间浮空平台或其它飞行器上实现对高空大气风场的探测。测风装置利用上述测风方法反演出二维风场相对于搭载平台的速度矢量再根据搭载平台的导航数据，得到搭载平台相对于地面的速度矢量大气风场与和的关系如下式：

其中，为大气风场速度矢量；为二维风场相对于搭载平台的速度矢量；为搭载平台相对于地面的速度矢量。从而实现高空大气风场的测量，由测风装置的数据处理子装置输出风速风向及误差数据。

本发明的优点在于：

本发明采用了声波测风技术，能够在低温低气压的高空大气环境下进行大气风场的实时测量，并且仅采用一对带旋转机构的扬声器和声传感器，实现了对大气风场的测量，在风场的反演过程中，不需要计算声速，提高了测风精度。

附图说明

图1是本发明的一种高精度的临近空间实时原位测风装置结构示意图；

图2是本发明的一种高精度的临近空间实时原位测风方法的流程图；

图3是本发明将扬声器—声传感器以两者距离l的中心位置为圆心旋转180°实现水平风场测量的示意图；

图4是本发明的测风装置位于搭载平台上进行测风的流程图。

具体实施方式

目前，超声波测风技术广泛应用，但由于超声波频率较高，在高空稀薄大气环境下其衰减极大，几乎无法传播。因此，该技术不能应用于高空大气风场的测量。而频率较低的声波信号衰减则相对小很多，能够近距离的传输，所以可以采用声波测风技术实现平流层高度的大气风场原位探测。

本发明提供一种高精度的临近空间实时原位测风的装置，可以应用于临近空间大气风场的测量，采用了一对扬声器和声传感器，通过测量声波在顺风情况和逆风情况下的传播时间延迟的方法获取风速。该装置仅需要采用一对扬声器和声传感器，通过旋转机构实现了对高空大气水平风场的探测，在风速反演过程中，不需要确定声速，因此消除了声速误差的影响，提高了风场反演的精度。

如图1所示，本发明提供了一种高精度的临近空间实时原位测风的装置，其包括：

声传感器，用于声波发射信号的接收；

扬声器，用于声波发射信号的发射；

旋转机构，用于所述扬声器和所述声传感器的转动；

收发控制子装置，用于为所述旋转机构提供控制信号、产生并放大声波发射信号、将接收的声波发射信号转换为数字信号；

数据处理子装置，用于大气风场的反演；

所述声传感器与所述扬声器相对放置，且二者在同一水平线上；所述旋转机构位于所述声传感器和所述扬声器的下方，用于周期性旋转所述声传感器和所述扬声器。

利用所述旋转机构将扬声器和声传感器以两者距离的中心位置为圆心旋转180°，所述数据处理子装置分别接收旋转前后所述数字信号，得到在顺风情况下和逆风情况下，声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t1和t2；再根据公式(1)获得沿扬声器-声传感器方向(记为y方向)上的一维风速v；

其中，l为扬声器和声传感器之间的距离，t1为顺风时声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟，t2为旋转180°后逆风时声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟；

优选地，在获得一维风速v的基础之上，所述旋转机构将扬声器和声传感器整体转动90°，与一维风速矢量呈垂直关系，假设一维风速矢量的方向为y方向，扬声器和声传感器整体与一维风速矢量垂直的方向为x方向，构成两个正交方向；

通过数据处理子装置分别得到在x方向上顺风情况和逆风情况下，声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t1′和t2′；利用公式(2)得到x方向上的风速v′；

根据公式(3)，获得二维风场的风速vw；

若y方向沿正北方向，二维风场的风向由下式得到：

其中φ为二维风场的风向。

基于上述高精度的临近空间实时原位测风装置，采用一对所述声传感器和所述扬声器可以实现一维风场的测量，如图2所示，本发明提供了一种高精度的临近空间实时原位测风的方法，具体包括：

步骤1)收发控制子装置产生声波发射信号，所述声波发射信号放大后传输至所述扬声器，所述扬声器发射所述声波发射信号；

步骤2)所述声传感器接收所述声波发射信号，并将其转换为电信号后，再通过所述收发控制子装置将其转化为数字信号，然后将数字信号传输至所述数据处理子装置；

步骤3)所述数据处理子装置接收所述数字信号，并将接收到的数字信号进行滤波降噪处理后，再将其与所述声波发射信号进行互相关处理，得到顺风情况下的声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t1；

步骤4)收发控制子装置控制所述旋转机构，将扬声器和声传感器以两者距离l的中心位置为圆心旋转180°，重复步骤1)-步骤3)，得到逆风情况下声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t2；

步骤5)所述数据处理子装置将步骤3)得到的t1和步骤4)得到的t2，以及声传感器与扬声器之间距离l，根据公式(1)得到一维风速v。优选地，如图3所示，所述旋转机构将扬声器和声传感器整体旋转90°到与风速矢量的方向垂直，形成两个正交方向，若风速矢量的方向为y方向，扬声器和声传感器整体与风速矢量垂直的方向为x方向；

再通过步骤3)，得到在顺风情况下声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t1′；再通过步骤4)，得到在逆风情况下，声波信号从扬声器到声传感器的传播时间延迟t2′；

利用公式(2)得到x方向上的风速v′；

根据公式(3)，获得二维风场的风速vw；

若y方向沿正北方向，二维风场的风向由下式得到：

其中φ为二维风场的风向。

如图4所示，本发明的高精度的临近空间实时原位测风装置可以搭载在临近空间浮空平台或其它飞行器上实现对高空大气风场的探测。测风装置利用上述测风方法反演出二维风场相对于搭载平台的速度矢量再根据搭载平台的导航数据，得到搭载平台相对于地面的速度矢量大气风场与和的关系如下式：

其中，为大气风场速度矢量；为二维风场相对于搭载平台的速度矢量；为搭载平台相对于地面的速度矢量。从而实现高空大气风场的测量，由测风装置的数据处理子装置输出风速风向及误差数据。

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。