[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

说明书

本发明涉及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，属于风速风向检测技术领域。信号处理电路对发射信号进行相移后得到相移后的信号和发射信号分别与超声波接收信号计算二次相关函数；计算每组二次相关函数自变量为零时函数值得到相位的正弦和余弦值，采用反正切公式计算相位差；利用相位差法通过测量顺风和逆风时收发信号之间的相位差之差计算得到实际的风速风向值。本发明优点是通过二次相关法求取超声波收发信号之间的相位差，进而根据相位差与风速风向之间的关系计算得出实际的风速风向值，消除了超声波幅度对相位估计的影响，相比广义互相关法具有更高的抗噪性并且能在更低的信噪比下获得较好的风速风向测量精度。

技术领域

本发明属于风速风向检测技术领域，特别涉及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。

背景技术

在航空领域、航海领域、军事领域和工农业生产等方面都需要通过了解风速风向来提高效率，更精确的风速风向可以使决策者获得更准确的判断。航空方面，飞机的起飞和降落时操作者必须依据风的大小和方向，对螺旋桨的进动性进行修正；在军事方面，风速和风向会影响导弹的飞行轨道，在制导体制条件下，通过测量实际的风速和风向，会对导弹的飞行轨道进行修正，提高导弹的命中几率；在农业方面，在不同季节不同风场下同亩地的农作物需要水分不同，当农民在喷洒农药杀虫时、需要把握风速和风向，控制喷洒的计量和浓度。因此，研制出高精度的测风仪具有十分重要的意义。

目前各种测风仪中占据主导地位的是超声波测风仪。因其不存在转动部件磨损老化的问题，可实现长时间高精度的测量，体型小巧，测量范围广，结构简单，维护成本低等特点成为人们研究的重点。

超声波测风仪的主要测量方法有时差法，相位差法。时差法被广泛应用于超声波测风仪的设计中，国内改进时差法已经相对完善能够在常规环境下较好的测量风速风向。目前已有的时差法超声波测风系统设计，例如公开专利号为CN110346600A,名为“一种超声波风速风向测量方法”的中国专利。该专利在时差法的测风基础上利用风速和角度补偿的方法，解决了超声波探头阴影效应带来的误差，提高了风速风向的测量精度。为了进一步提高测风精度或在恶劣环境下能较好的测量出风速风向需要考虑环境噪声对信号的干扰，在同等条件下基于相位差法的超声波风速风向测量精度高于基于时差法的超声波风速风向测量精度，但相位差法受周期判别的限制存在测风精度不高测风范围窄的问题。因此设计一种在低信噪比下抗噪性更高的相位估计算法，对于相位差法超声波风速风向测量系统具有重要意义。

发明内容

本发明提供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，以解决现有基于相位差法的超声波测风方法在低信噪比下测风精度不高甚至失效的问题，是一种抗噪性能强，可以消除超声波幅值对相位估计影响的相位估计方法。

本发明采取的技术方案是：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)＝A sinω₂t