[发明专利]基于计算机视觉的智能风速风向测量装置

说明书

技术领域

本发明属于计算机图像处理技术、风速风向可视化技术和机械设计技术在风速风向检测方面的应用，主要适用于气象、海洋、环境、农业、水利、电力、军事、机场、科研、文物保护等领域。

背景技术

风场测量包括风速及风向，理想的风场测量传感器应当能够确定一个三维矢量。但三维矢量在研制与标定上都存在很大难度。因而一般风场测量传感器确定的都是二维矢量，一般考虑为(xy平面)二维矢量，风速-模值及风向-方向。在一些特殊情况下，垂直运动也相当显著，如山的背风坡、强的对流云。

目前测量风速的技术主要分为如下四种：1)旋转式风速测量；2)压力式风速测量；3)热力式风速测量；4)超声风速测量。市场上常见的风速测量仪器有如下三种：①风杯风速表，是应用最广泛的一种风速表。由三个(或四个)半球形或抛物形空杯，都顺一面均匀分布在一水平支架上，支架与转轴相连。在风力作用下，风杯绕转轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录。②桨叶式风速表，由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。最常见的是由三叶式四叶螺旋桨，装在形似飞机机身的流线形风向标前部，风向标使叶片旋转平面始终对准风的来向。其中风杯风速表和桨叶式风速表在原理上均属于旋转式风速测量。③热力式风速表，被电流加热的细金属丝或微型球体电阻，放置在气流中，其散热率与风速的平方根成线性关系。通常在使加热电流不变时，测出被加热物体的温度，就能推算出风速。热力式风速表感应速度快，时间常数只有百分之几秒，在小风速时灵敏度较高，宜应用于室内和野外的大气湍流实验，也是农业气象测量的重要工具。

最近几年由于CMOS技术的发展，人们采用硅热流量风速风向测量；利用温差型的测量原理，采用某种控制，将传感器表面加热，使之高于环境一定温度，通过测量风向对称点处由于风速的影响而产生的片上温差而得到风速和风向的信息，从原理上来说也是一种热力式风速测量方法。该测量手段一般适用于室内风场测量。超声风速测量是利用超声波沿空气流动方向作双向传播，从而测量自然风速的仪器，目前也已有产品问世。

在气象观测中，采用一个风杯式风速计来测量风速，该传感器对风向不敏感，再采用一个风标，用于测量相对地平面的方向矢量。

现有旋转式风速测量仪历经了数几十年的发展和改进，以其结构简单、无功耗、直观等突出优点得到广泛推广使用，目前是应用最广泛的一种风速测量方法。

在旋转式风速测量仪中的风速信号转换方法目前主要采用的是电机式和电接式这两种方法：在电机式风速测量仪中，风杯带动测速发电机，输出与转速(风速)成正比的电压讯号；在电接式风速测量仪中，风杯经变速机构输出代表一定风程的脉冲信号，计量规定间隔时间内脉冲信号的个数，得到该时段的平均风速等于该时段风程数/间隔时间。电型的风速传感器是电接式风速测量方法中的一种光电转换，传感器中采用低惯性轻金属风杯，随风旋转，带动同轴截光盘转动，以光电子扫描输出脉冲串，输出相应于转数的脉冲频率对应值，便于采集及处理。

风向标是一种应用最广泛的测量风向仪器的主要部件。由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。在风的作用下，尾翼产生旋转力矩使风向标转动，并不断调整指向杆指示风向。目前将风向信号的转换主要采用了各种角度传感器进行风向信号的转换，主要有：1)机械式；2)电气式；3)电位器式；4)光电式等四种角度传感器，其中光电型的风向传感器应用最为广泛。光电型的风向传感器采用低惯性轻金属的风向标响应风向，带动同轴码盘转动，此码盘按格雷码编码并以光电子扫描，输出对应风向的电信号。风向标感应的风向必须传递到地面的指示仪表上，以触点式最为简单，风向标带动触点，接通代表风向的灯泡或记录笔电磁铁，作出风向的指示或记录，但它的分辨只能做到一个方位(22.5°)。精确的方法有自整角机和光电码盘。