[发明专利]一种基于二次相关相位差法的超声波测风方法及测风装置

权利要求书

1.一种基于二次相关相位差法的超声波测风方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一：测风装置通电后，对各模块进行初始化；

步骤二：微处理器配合信号发生器产生发射信号输入到发射模拟开关，四个超声波探头在发射模拟开关选通作用下依次发射超声波；

再将接收模拟开关接选通的接收信号，经过信号处理电路，经过放大滤波处理和AD采样电路进行数模转换，得到的转换结果传递给微处理器进行计算，超声波南北方向的超声波探头在顺风时和逆风时微处理器得到两个超声波接收信号，超声波东西方向的超声波探头在顺风时和逆风时微处理器得到两个超声波接收信号，微处理器共得到四个超声波接收信号；

步骤三：采用二次相关算法估计超声波发射信号与接收信号的相位差

步骤四：发射一个频率f₂的超声波发射信号s₂(t)，与此同时将超声波发射信号经过相移器移动π/2相位用s’₂(t)表示：

s₂(t)＝Asinω₂t

s’₂(t)＝Asin(ω₂t+π/2)＝Acosω₂t

式中：ω₂＝2πf₂为超声波的角频率；

此时与超声波发射探头正对的接收探头接收到的信号为：

式中：为超声波收发射信号间的相位平移量即为频率f₂时，由南向北方向超声波收发射信号间的相位差，再将接收模拟开关接选通的接收信号经过信号处理电路，经过放大滤波处理和AD采样电路进行数模转换，得到的转换结果传递给微处理器进行计算；

步骤五：采用二次相关算法估计超声波发射信号s₂(t)与接受信号y₂(t)的相位差

步骤六：将相位差转换成相位平移量再计算出时间延迟；

第二次发射超声波接着第一次发射的超声波，测量过程较短认为测量过程中风速和风向角不变，此系统微处理器共得到八个超声波接收信号，每个发射信号对应一个接收信号，循环步骤三，步骤四，步骤五和步骤六可以得到八个相位差，每两对相位差计算出一个方向的传播时间，由此以南北方向顺风情况下的△t₁计算过程相同，可得到南北方向逆风时的传播时间△t₂以及东西方向顺风时和逆风时超声波传播时间△t₃和△t₄；

步骤七：根据相对时差法可以得到两组风速分量：

其中，v₁和v₂分别为南北方向和东西方向上的风速分量；

再通过矢量合成得到实际风速和风向角为：

步骤八：将步骤五中得到的风速风向显示在显示器上后返回步骤二，通过此循环可得到不同时刻的风速与风向角。

2.根据权利要求1所述的一种基于二次相关相位差法的超声波测风方法，其特征在于，所述步骤二中在由南向北方向上发射频率为f₁的超声波信号为s₁(t)，与此同时将发射信号经过相移器移动π/2相位，称之为移相信号，用s’₁(t)表示：

s₁(t)＝Asinω₁t

s’₁(t)＝Asin(ω₁t+π/2)＝Acosω₁t

式中：A为发射超声波信号的幅值，ω₁＝2πf₁为超声波角频率：

与超声波发射探头正对的接收探头接收到的信号可以表示为：

式中：B为接收超声波信号的幅值，为超声波收发射信号间的相位平移量即其中△t₁表示南北方向顺风情况下超声波收发信号的传播时间，n为正整数，为超声波收发射信号间的相位差。