[发明专利]三维空间来风的风速测量系统及方法

说明书

本发明公开一种三维空间来风的风速测量系统及方法，所述三维空间来风的风速测量系统包括：第一超声波传感器；四个第二超声波传感器，各第二超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy平面内，均匀排列形成第一四元弧阵列；四个第三超声波传感器，各第三超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列形成第二四元弧阵列；数据处理器，分别与各所述第二超声波传感器、各所述第三超声波传感器连接。本发明通过一发八收的超声波传感器阵列进行风速风向检测，无转动部件，对风信息的改变反应灵敏，无机械磨损，维护成本低，使用寿命长，进而通过数据处理器确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角，快速准确，精度高。

技术领域

本发明涉及三维测风技术领域，特别是涉及一种三维空间来风的风速测量系统及方法。

背景技术

风是一种很常见的自然现象，在气象、航空、军事、高铁、航海和武器发射校准等方面，对风速和风的空间来向的准确测量要求很高。目前国内市场上主要有非超声波测风仪和超声波测风仪两大类。非超声波测风仪主要包括机械式测风仪、热敏式测风仪、多普勒激光测风仪等。其中机械式测风仪则由于其内部含有转动模块，故而反应速度慢，有机械磨损，且容易损坏，寿命较短，而且还只能测试出二维空间中风速风向信息，但优点在于成本较低。而热敏式测风仪则由于原理缺陷，其测量范围和测量精度都较低。其优点是体积小，有可伸缩探头，可在小空间内进行测量。多普勒激光测风仪一般成本高昂，体积偏大，多是通过车载移动，常用在大型活动的气象探测，难以推广，但其优点是采集信息范围广，数据精确。

相对与非超声波测风仪来说，超声波测风仪的市场占有率更大，超声波测风仪也有一维、二维、三维之分，且随着维度的增加，其价格也逐渐变得昂贵。其中超声波一维测风仪和超声波二维测风仪相对于非超声波测风仪来说，测量精度会较高，且体积小，容易便携，但并不能获取空间中来风的三维信息，在某些领域并不适用；而对于超声波三维测风仪来说，获取的空间风信息更多。

但目前市场上超声波三维测风仪，还大多是基于时差法来测量出x,y,z轴上的速度分量，在通过空间矢量合成来得到空间来风的信息，其测量精度较大程度上依赖于对超声波信号从发射超声波信号的传感器传播到接收超声波信号的传感器之间的传播时间(即度越时间)的测量精度，和硬件的工作性能，影响因素较多，导致测量精度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维空间来风的风速测量系统及方法，可提高在三维空间中的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三维空间来风的风速测量系统，所述三维空间来风的风速测量系统包括：

第一超声波传感器，用于发射超声波信号；

四个第二超声波传感器，各所述第二超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy平面内，均匀排列形成第一四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；

四个第三超声波传感器，各所述第三超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列形成第二四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；

数据处理器，分别与各所述第二超声波传感器、各所述第三超声波传感器连接，用于根据各所述第二超声波传感器接收到的超声波信号以及各所述第三超声波传感器接收到的超声波信号，确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角。

可选的，所述数据处理器为STM32系列的单片机。

可选的，各所述第二超声波传感器到第一超声波传感器的距离、各所述第三超声波传感器到第一超声波传感器的距离的分别为10cm。

可选的，所述第一四元弧阵列中相邻两个第二超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角、所述第二四元弧阵列中相邻两个第三超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角分别为20°。