一种基于超声回波信号的风速风向测量方法及测量系统与流程

技术特征：
1.一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于：包括如下步骤；步骤s1：将单片机生成的激励信号转换成超声波探测信号；步骤s2：多个方向的超声波探测器交替发送超声波探测信号，以及接收回波信号；步骤s3：采用基于包络重心的回波时间点计算对应方向回波信号的实际回波时间；步骤s4：根据回波信号的实际回波时间计算每个方向的分速度，利用矢量合成方法计算合速度和风向。2.根据权利要求1所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于：所述步骤s2中将多个超声波探测器按照互成九十度的方向间隔设置。3.根据权利要求2所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于，所述步骤s3中采用基于包络重心的回波时间点计算对应方向回波信号的实际回波时间的具体过程如下：s31：计算回波信号的相关特征值，采用线性拟合法拟合得到波形包络；s32：计算波形包络的重心；s33：采集超声波探测信号的发送时间和接收回波包络重心的时间点，计算实际回波时间；s34：结合信道延迟，对实际回波时间进行优化，计算理论回波时间。4.根据权利要求3所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于，所述步骤s31中计算回波信号波形的相关特征值，采用线性拟合法拟合得到波形包络，具体包括：s311：计算波形平均值，将波形平均值向上平移四至六个数据点；s312：根据波形平均值，结合波形特性获取上升过零点和下降过零点；s313：根据上升过零点和下降过零点的中点计算峰值点坐标；s314：根据上升过零点、下降过零点和峰值点坐标，采用线性拟合法拟合得到波形包络。5.根据权利要求4所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于，所述步骤s34结合信道延迟，对实际回波时间进行优化，计算理论回波时间，具体包括：s341：根据零风速状况，标定信道延迟；s342：对每个方向的实际回波时间，去除对应方向的信道延迟，计算得到理论回波时间。6.根据权利要求5所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于，所述步骤s32中计算波形包络的重心的具体过程为：建立回波信号的上包络函数，根据上包络函数计算包络重心，其中：f(x)表示上包络函数，x
c
表示包络重心，x表示时间点的坐标。7.根据权利要求5所述的一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，其特征在于，所述步骤s4根据回波信号的回波时间计算每个方向的分速度，利用矢量合成方法计算合速度和风向，具体包括：
s41；建立关于x轴和y轴的二维坐标系，分别计算x轴和y轴方向的分速度，s41；建立关于x轴和y轴的二维坐标系，分别计算x轴和y轴方向的分速度，其中：t
rw
表示x轴上超声波探测器a收到超声波探测信号回波的时间，t
re
表示x轴上超声波探测器b收到超声波探测信号回波的时间，t
rn
表示x轴上超声波探测器c收到超声波探测信号回波的时间，t
rs
表示x轴上超声波探测器d收到超声波探测信号回波的时间，l表示超声波探测信号的路径长度，u表示超声波探测信号的风速，θ表示超声波探测信号的发射角；s42：将x轴和y轴的分速度利用矢量合成法计算合速度和风向角，s42：将x轴和y轴的分速度利用矢量合成法计算合速度和风向角，其中：u表示合速度，α表示风向角。8.一种基于超声回波信号的风速风向测量系统，其特征在于：包括电源模块，用于提供稳定的电流；电压转换模块，用于将电流转化升压至高压；控制模块，用于控制高压脉冲模块产生激励信号，以及根据超声波回波信号计算风速和风向；超声换能模块，用于根据激励信号产生并发送超声波信号，以及接收超声波回波信号；信号处理模块，用于将超声波回波信号进行放大和滤波；数模转换模块，用于将超声波回波信号进行模数转换后并发送至控制模块；智能终端，用于收集存储计算的风速和风向。

技术总结
本发明公开了一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，包括如下步骤：步骤S1：将单片机生成的激励信号转换成超声波探测信号；步骤S2：多个方向的超声波探测器交替发送超声波探测信号，以及接收回波信号；步骤S3：采用基于包络重心的回波时间点计算对应方向回波信号的实际回波时间；步骤S4：根据回波信号的实际回波时间计算每个方向的分速度，利用矢量合成方法计算合速度和风向。本发明一种基于超声回波信号的风速风向测量方法，与现有方法相比，所采用的包络重心计算回波时间点的方法可以不受信号幅度波动的影响，具有算法简单稳定性高，测量精度高的优点。测量精度高的优点。测量精度高的优点。


技术研发人员：李春国 唐晓明 钟成林
受保护的技术使用者：山东睿斯达智能科技有限公司
技术研发日：2021.11.04
技术公布日：2022/4/26