[发明专利]一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法，属于超声波测风系统及方法。包括微处理器模块、信号发生器模块、锁相环、D触发器组、发送模块组、超声波换能器组、模拟多路开关、接收模块组、低噪声信号放大器、带通滤波器、差动放大器、AD采样模块。优点是通过锁相环实现参考信号四倍频，可以确保AD采样时钟信号与参考信号相位差为0，从而实现AD模块在发射信号一个周期内采样点相位位于参考信号0°、90°、180°、270°四点，使得互相关计算结果呈线性相关，大大降低微处理器模块数据处理的难度，在复杂测量环境下实现宽范围、更高精度、更低延迟的风速风向测量。

技术领域

本发明涉及一种超声波测风系统及方法，特别涉及一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法。

背景技术

风作为一种活跃的气象要素，风速与风向的测量被广泛应用在军事、航空、航海、交通等国计民生的各个方面。在军事中，狙击手在进行远程射击时，仅仅在微风的影响下，就会使弹道完全偏移；在航空中，飞机起飞与降落时，须根据风速与风向来调整起飞与降落的方式。同时，在飞行过程中，也需要根据实时与风向进行航向的修正。在航海与交通中，风速与风向的测量对于航行与行驶的安全十分重要。另外，在风能的利用中，也需要保证风机的运行方向与风向的一致性。因此，风速与风向的高精度、宽范围测量具有十分重要的意义。

常用的测风技术有风杯式、皮托管式、热敏式、超声波式等。其中，超声波式测量方法以其结构简单、无启动风速限制、测量范围广、测量精度高、适用于各种野外极端环境等诸多优势，得到了人们的广泛关注和重视。目前，超声波测风仪器大多采用改进时差法，这种方法完全取决于超声波传播时间的测量精度。在一些复杂的环境下，超声波传播时间的测量将变得比较困难甚至失效，而对相位进行测量可以有效解决时间测量不准确的问题，但是由于传感器的结构与成本限制，其数据处理能力较弱，在采样数据较多时难以保证测量准确性和实时性。

发明内容

本发明提供一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法，以解决目前存在的采样数据数量多，呈非线性，导致微处理器计算量大、计算时间长影响测量准确性和实时性的问题。

本发明采取的技术方案是：包括微处理器模块、信号发生器模块、锁相环、D触发器组、发送模块组、超声波换能器组、模拟多路开关、接收模块组、低噪声信号放大器、带通滤波器、差动放大器、AD采样模块和与上位机通信模块，其中微处理器与信号发生器相连，信号发生器的输出端口一路与锁相环的参考信号端相连，锁相环的反馈回路由D触发器组构成，信号发生器模块与发送模块组相连，发送模块组与超声波换能器组相连，超声波换能器组与接收模块组相连，发送模块组和接收模块组的控制端与模拟多路开关相连，接收模块组的输出端经过低噪声信号放大器后输入到带通滤波器，带通滤波器输出端与差动放大器相连，差动放大器的输出端与AD采样模块的输入端相连，锁相环的输出端与AD采样模块的时钟信号端相连，AD采样模块的输出端连接至微处理器模块，微处理器模块和与上位机通信模块相连，用于输出所测得的风速、风向角和下达控制指令。

本发明一对平行的上反射板、下反射板构成的声学共振腔体，超声波换能器组嵌入下反射板内。

本发明所述发送模块组包括三个发送模块，超声波换能器组包括三个超声波换能器，接收模块组包括三个接收模块。

本发明所述三个超声波换能器外壳均为圆形，三个换能器的圆心连线构成一个等边三角形。

本发明所述D触发器组包括两个D触发器。

采用一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统的测风方法，包括下列步骤：

步骤一：系统上电，各模块初始化；

步骤二：微处理器控制信号发生器产生驱动信号经过各发送模块驱动超声波换能器组发射超声波信号，下反射板的超声波换能器组发射的超声波在两个反射极板之间发生多次反射，在声学共振腔体内形成共振现象，产生垂直于流体流动方向的驻波和垂直于驻波的行波；