[发明专利]用于实时测量超低空段风的声探测系统

说明书

技术领域

本发明涉及声波测量风速、风向和垂直气流等气象探测领域，尤其涉及一种用于实时测量超低空段风的声探测系统。

背景技术

在测风领域，常用的手段有声雷达、超声测风仪、测风枪、测风塔、激光雷达、风廓线雷达等。声雷达利用声波后向散射回波的多普勒效应进行风速的探测，但通常采用收发合置声测风技术，依靠相控阵技术依次形成不同方向的发射和接收波束，波束换能器在发射的时候是不能进行接收的。由于超低空风散射的声回波较快，当换能器开始接收时，散射的回波已经消失了，况且还存在换能器响应延迟和收发切换延迟，因此，收发合置测风技术测量的最低高度受限，20m以上风段测量较为准确。测风枪和超声测风仪属单点测风，风场剖面应用领域受限。测风塔一般用于固定点位置测试，且其高度受限。激光雷达是使用激光来进行风速的探测，其探测结果受能见度的影响较大。风廓线雷达属于无线电雷达，测量精度易受电磁环境和地物杂波的干扰，局限性较大。且激光与无线电传播速度较声波快很多，在超低空风测量领域难有用武之地。

目前，现有技术中尚没有实时的，较为准确的方法进行超低空段（1～20m）风场剖面的探测。

发明内容

本发明针对现有技术回波难以接收、实时性差、精度不高的问题，而研制一种能够实现1-20m超低空段风实时测量的声探测系统。本发明运用高精度单点超声测风、收发分置声测风、基于风场建模的信息融合和数据综合处理技术，突破声测风最小高度限制，实现了1-20米风场全剖面实时测量，具体技术手段如下：

1、运用时间倒数和相位差估算方法，对超声传播延时进行估计，构建了声虚温修正模型，采用超声测风技术，实现1m处单点风速风向高精度、实时测量。

2、使用相控阵天线和主机构成收发分置声测风系统，采用微弱回波信号提取和高分辨率多普勒频移方法测量5-20m分层风速、风向数据。

3、在充分研究风场短时平稳特性的基础上，对平稳风场进行数学建模，将风速和风向随高度变化的统计规律由风场数学模型表达出来，通过实时的少数离散测量点值来不断修正风场模型参数，融合单点超声测风和收发分置声测风数据，给出高精度的1-20m全剖面风廓线。

同现有技术相比，本发明的优点是显而易见的：本发明采用一种创新的方法，运用高精度单点超声测风、收发分置声测风、基于风场建模的信息融合和数据综合处理技术，突破声测风最小高度限制，实现了20米以下风场全剖面实时测量。

附图说明

了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：

图1为本发明实施例提供的一种超低空风探测系统组成示意图；

图2为本发明实施例提供的一种收发分置声测风相控阵阵列构成示意图；

图3本发明实施例提供的一种发射接收时长示意图；

图4为本发明实施例提供的一种回波分段处理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种超低空声测风工作方法流程图；

图6本发明实施例提供的一种收发分置声测风工作方法流程图；

图7本发明实施例提供的一种超声测风工作方法流程图；

图8本发明实施例提供的一种超声测风系统组成示意图。

图9为本发明实施例提供的一种收发分置声测风主机构成示意图；

图10为本发明实施例提供的一种在坐标轴上的波束方向图（其中a为立体视图，b为平面视图）；

图11为本发明实施例提供的一种功率放大原理框图；

图12为本发明实施例提供的一种回波信号预处理模块原理框图。

具体实施方式

如图1和图5所示的一种用于实时测量超低空段风的声探测系统包括：超声测风系统，收发分置声测风系统，以及将上述两系统测量数据通过融合处理给出1-20m风场剖面数据（即包括风速、风向和垂直气流数据）的基于风场建模的信息融合系统。