[发明专利]一种测量风速和风向的方法及系统

说明书

本发明公开了一种测量风速和风向的方法及系统，首先获取待测风的风速范围、风向范围；其次建立一个用于发射信号的发射阵元和四个用于接收信号的接收阵元组成的一发四收弧形阵列结构，并以其中一个接收阵元为基准阵元，获取发射阵元发射的信号到达接收阵元时相对于发射阵元发射的信号到达基准阵元时的时延计算表达式；再根据时延计算表达式和待测风的风速范围、风向范围，采用波束形成算法，计算波束形成器输出功率的最大值并确定此最大值对应的风速和风向为风的风速和风向。即本发明是通过信号到达接收阵元相对于信号到达基准阵元时的时延和波束形成算法来确定风向和风速，避免时差法测量误差而引起风信息误差的问题，提高测量精度和测量速度。

技术领域

本发明涉及测风领域，特别是涉及一种测量风速和风向的方法及系统。

背景技术

风是一种最常见的自然现象，在气象、航空、军事、高铁、航海等方面，对风速和风向的准确测量要求很高。目前市场上使用的大多是时差法的超声波测风仪、机械式测风仪、热敏式测风仪等，但是这些测风仪在测量精度、测量范围和抗干扰性方面均存在一定的缺陷。例如，基于时差法制作的超声波测风仪的缺点：对时间的测量存在误差且该误差不能消除，进而引起测风信息的误差；机械式测风仪器缺点：有机械磨损，对微风和强风的测量精度不够，寿命短，维护成本高；热敏式测风仪的缺点：由于测风原理的限制，其对风速测量范围十分有限，且灵敏度不高。因此，如何能够高精度的获取风速和风向，是目前测风领域急需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量风速和风向的方法及系统，是对基于时差法的超声波测风仪的一种改进，避免由于时间测量误差而引起测风信息的误差，提高了测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种测量风速和风向的方法，所述方法包括：

获取待测风信息；所述待测风信息包括待测风的风速范围和待测风的风向范围；

建立一发四收弧形阵列结构；所述一发四收弧形阵列结构包括一个用于发射信号的发射阵元和四个用于接收信号的接收阵元；所述接收阵元接收所述发射阵元发射的信号；

以所述一发四收弧形阵列结构中的一个所述接收阵元为基准阵元，获取所述发射阵元发射的所述信号到达所述接收阵元时相对于所述发射阵元发射的所述信号到达所述基准阵元时的时延计算表达式；

根据所述时延计算表达式和所述待测风信息，采用波束形成算法，计算风的风速和风向。

可选的，所述以所述一发四收弧形阵列结构中的一个所述接收阵元为基准阵元，获取所述发射阵元发射的所述信号到达所述接收阵元时相对于所述发射阵元发射的所述信号到达所述基准阵元时的时延计算表达式，具体包括：

获取所述信号向第i个所述接收阵元的速度传播公式；所述速度传播公式为：

式(1)中α为相邻两个所述接收阵元与所述发射阵元连线的夹角，θ为待测风的风向，v为待测风的风速；

获取所述信号到达第i个所述接收阵元的时间计算表达式；所述时间计算表达式为：

式(2)中c为声波的传播速度，V_i表示所述信号向第i个所述接收阵元传播的速度；R为所述接收阵元到所述发射阵元的距离；

根据所述时间计算表达式，获取所述发射阵元发射的所述信号到达所述接收阵元时相对于所述发射阵元发射的所述信号到达所述基准阵元时的时延计算表达式；所述时延计算表达式为：

可选的，在根据所述时延计算表达式和所述待测风信息，采用波束形成算法，计算风的风速和风向之前，所述方法还包括：

根据公式(4)确定所述发射阵元发射的所述信号；所述公式(4)为：