超声波测风传感器和超声波测风系统

技术领域

本发明涉及超声波测风传感器技术领域，尤其是涉及一种超声波测风传感器和超声波测风系统。

背景技术

在各类气象要素中，风是最活跃的要素之一，风速的测量被广泛应用于军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面。

常用的风速测量技术有机械式测量、皮托管测量、热线热膜测量、激光多普勒测量、超声波测量等。

而超声波测量方法以其独有的测量范围宽、测量精度高、测量速度快、启动风速低、结构简单、抗振动、适用于野外恶劣环境下工作等其他测量方法无可比拟的优点，而倍受人们青睐，成为目前风速仪的主流发展方向。

任何时候，稳定、快速、可靠、宽范围、高精度都是任何风速风向传感器的设计要求。

目前的超声波测风传感器多采用时差估算方法获得风速和风向，但由于传感器的结构与成本限制，其数字信号处理能力较弱，误差因素影响较多，且此种时差估算方法直接取样收发序列后按照互相关函数的定义进行计算，计算量大，实际场景中风向和风速可能实时变化，因此，该方式准确性和实时性都很难保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波测风传感器和超声波测风系统，通过对两次反射序列的预评估，和可编程放大器放大倍数的预设置，可极大减少无效序列参与计算，节省了计算时间，增强了风速风向输出数据的快速性、稳定性和可靠性。配合频域互相关计算，进一步提高了风速风向输出数据的快速性。

第一方面，本发明实施例提供了一种超声波测风传感器，包括换能装置和电路板，所述电路板上设置有微控制单元、四路信号驱动单元和预处理单元，以及数据输出单元所述换能装置包括四个换能器；

所述微控制单元分别与所述四路信号驱动单元和所述预处理单元相连接；

所述四路信号驱动单元接收所述微控制单元的激励控制信号后，激励换能器工作；所述预处理单元，在所述微控制单元的控制下从所述换能器接收到两次反射信号，对两次反射信号进行预处理后，得到两次反射序列；所述微控制单元，对所述两次反射序列进行评估，判断接收到的所述两次反射序列是否符合计算条件，对都符合的所述两次反射序列进行频域里的互相关运算，获取超声波在空气里的飞度时间，对不符合的所述两次反射序列，在饱和失真或者截止失真的情况下，调整所述预处理单元，直至下一周期获得的两次反射序列符合计算条件，重复以上过程分别获取四个换能器激励后的超声波在空气中的飞度时间，再利用时差法计算获取二维平面里的风速测量结果，通过所述数据输出单元将所述风速测量结果输出。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述电路板上还设置有多路开关，与所述微控制单元相连接，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与所述换能装置之间的通路。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述换能装置包括反射面和呈十字分布的四个换能器；

所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第一激励控制信号，激励第一目标换能器工作；

所述多路开关，接收所述微控制单元的第一切换控制信号，开启所述预处理单元与第二目标换能器之间的通路，所述第二目标换能器设置在所述第一目标换能器对面；延时后再开启所述预处理单元与第一目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号；

和/或，

所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第二激励控制信号，激励所述第二目标换能器工作；

所述多路开关，接收所述微控制单元的第二切换控制信号，开启所述预处理单元与所述第一目标换能器之间的通路；延时后再开启所述预处理单元与第二目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号；

和/或，

所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第三激励控制信号，激励第三目标换能器工作；

所述多路开关，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与第四目标换能器之间的通路，所述第四目标换能器设置在所述第三目标换能器对面；延时后再开启所述预处理单元与第三目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号；

和/或，

所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第四激励控制信号，激励第四目标换能器工作；

所述多路开关，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与所述第三目标换能器之间的通路。延时后再开启所述预处理单元与第四目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述预处理单元包括可编程放大器、带通滤波单元和模数转换单元；

所述可编程放大器，分别与所述多路开关和所述微控制单元相连接，对从所述换能装置接收的两次反射信号进行放大操作，获得到两次高斯波包络下的正弦波的模拟信号；

所述带通滤波单元，与所述可编程放大器相连接，对放大后的所述两次高斯波包络下的正弦波的模拟信号进行滤波处理；

所述模数转换单元，与所述带通滤波单元相连接，对过滤后的模拟信号进行数字化采样以获取所述微控制单元能识别的两次反射序列，所述两次反射序列包括两次反射的数字序列。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述微控制单元还用于对不符合的所述两次反射序列，若是饱和失真或者截止失真则由所述微控制单元调整所述可编程放大器的放大倍数，直至下一周期可获得符合计算条件的所述两次反射序列。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述微控制单元还用于对两次反射序列中包络下的正弦波峰值出现的饱和失真和截止失真信号进行剔除，并对一次反射序列中的高斯波包络下的多个正弦波波峰与波谷之间的间隔时长远超过正弦波半周期时长的异常信号进行剔除。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，还包括底板，所述换能器按照预设角度设置在所述底板上。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述模数转换单元的采样频率基于飞度时间精度进行设置，所述飞度时间用于计算所述风速测量结果，所述风速测量结果为二维的平面风速数值和风向角度。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述四路信号驱动单元还用于产生脉冲宽度调制方波PWM波激励所述换能装置工作。

第二方面，本发明实施例还提供一种超声波测风系统，包括如上所述的超声波测风传感器以及与所述超声波测风传感器相连接的上位机。

本发明实施例带来了一种超声波测风传感器和超声波测风系统，在微控制单元的控制下，四路信号驱动单元接收相应激励控制信号，触发换能装置工作，预处理单元对换能装置输出的信号进行放大滤波等预处理，微控制单元通过模数转换单元再对预处理后的信号进行数字化采样以获取微控制单元能识别的数字序列。微控制单元通过对两次反射获得的数字序列进行评估，剔除异常信号，预置可编程放大器的放大倍数，再通过频域里实现互相关函数获取飞度时间，实现快速、稳定、准确的风速风向在二维平面里的合成，通过输出单元实现输出。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种超声波测风传感器结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种换能器测量流程图；

图3为第一次接收波形正半波示意图；

图4为第二次接收波形正半波示意图；

图5为时域计算互相关函数示意图；

图6为第一次接收序列的频域示意图；

图7为第二次接收序列的频域示意图；

图8为第一次和第二次接收序列复乘共轭示意图；

图9为复乘共轭结果的逆变换示意图；

图10为频域计算互相关函数示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

超声波测量方法以其独有的测量范围宽、测量精度高、测量速度快、启动风速低、结构简单、抗振动、适用于野外恶劣环境下工作等其他测量方法无可比拟的优点，而倍受人们青睐，成为目前风速仪的主流发展方向。

任何时候，快速、可靠、宽范围、高精度都是任何风速风向仪器的设计要求。

经发明人研究发现，目前的超声波测风传感器采用时差估算方法获得风速和风向，但由于传感器的结构与成本限制，其数字信号处理能力较弱，误差因素影响较多，且此种时差估算方法直接取样收发序列后按照互相关函数的定义进行计算，计算量大，实际场景中风向和风速可能实时变化，因此，该方式准确性和实时性都很难保证。

基于此，本发明实施例提供了一种超声波测风传感器和超声波测风系统，通过每次激励后，对两次反射序列的评估，筛选，和对可编程放大器放大倍数的预设置，可极大减少无效序列参与计算，节省了计算时间，增强了风速风向输出数据的稳定性和可靠性。配合频域互相关计算，进一步提高了风速风向输出数据的快速性。

下面通过实施例进行详细描述。

图1为本发明实施例提供的一种超声波测风传感器的结构框图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种超声波测风传感器，包括换能装置和电路板，两者之间可通过无线通讯或有线连接，实现数据传输，所述电路板上设置有微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)、四路信号驱动单元和预处理单元，所述微控制单元分别于所述四路信号驱动单元和所述预处理单元相连接。

所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的激励控制信号，激励所述换能装置工作。

其中，所述四路信号驱动单元还用于产生脉冲宽度调制方波PWM波，以通过PWM波触发激励所述换能装置工作。

所述预处理单元，在所述微控制单元的控制下切换多路开关先后从换能装置接收到两次反射的信号，经过可编程放大器和带通滤波单元，对两次反射信号进行放大滤波处理后，再由数模转换单元离散化后得到两次反射的数字序列；

这里，本申请通过添加硬件预处理单元结构，实现对模拟信号中的噪声等不利于后续计算的较差信号进行过滤和去噪处理，需要说明的是，这里采用的过滤和去噪方式为本领域技术人员能够获知的。

所述微控制单元，对两次反射序列进行评估，判断接收到的两次反射信号是否符合计算条件，对两次反射都符合计算条件的信号序列进行频域里的互相关运算，获取超声波在空气里的飞度时间。

对不符合计算条件的序列，若是饱和失真或者截止失真则由所述微控制单元调整可编程放大器的放大倍数，以期下一周期可获得理想的信号。

重复以上过程分别获取四个换能器激励后的超声波在空气中的飞度时间，再利用时差法计算获取二维平面里的风速风向数据。通过所述数据输出单元将风速、风向等信号输出。

在一些实施例中，仅用硬件对采样信号进行去噪处理，并不能将全部的噪声或异常信号进行去除，本申请为了保证后续对风速和风向的准确测量计算，在硬件结构基础上结合软件算法剔除异常信号。

需要说明的是，该风速测量结果和超声波在静风中速度均可以理解为矢量数据，风速测量结果即为平面二维维度上的风速数值和风向角度，超声波在静风中速度也包括风向角度和风速数值。

在实际应用过程中的优选实施例，在微控制单元的控制下，四路信号驱动单元接收相应激励控制信号，触发换能装置工作，预处理单元对换能装置输出的信号进行放大和滤波处理，去除噪声和不良信号，微控制单元再对预处理后的存在异常信号反射序列进行剔除后，以能够及时获得较为精确的风速测量结果和风向测量结果，提高风速风向的稳定性快速性和准确性。

可以理解的是，本申请将反射序列经过筛选剔除其中的异常信号后，再参与运算，从源头杜绝大量无效甚至错误的信号数据，极大程度地减少计算量同时，经微控制器评估后及时调整可编程放大器倍数，进一步提高信号质量，会使得检测结果的获得更加准确和迅速。结合频域互相关将进一步提高系统快速性。

在一些实施例中，所述电路板上还设置有多路开关，与所述微控制单元相连接，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与所述换能装置之间的通路。

在一些实施例中，所述换能装置包括反射面和呈十字分布的四个换能器；在实际应用中，还包括底板，所述换能器按照预设角度设置在所述底板上。

示例性地，本发明中的超声波测风系统结构由收发一体的换能器E、W、S、N(东、西、南、北)成预设的固定角度(如45度)安装在底板上，四个换能器的顶上安装反射面。

作为一种可选的实施例，多路开关以及四路信号驱动单元根据微控制单元的控制信号，确定作用的目标换能器，进行相应的激励或接通操作，具体可包括：

所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第一激励控制信号，激励第一目标换能器工作；

所述多路开关，接收所述微控制单元的第一切换控制信号，开启所述预处理单元与第二目标换能器之间的通路，所述第二目标换能器设置在所述第一目标换能器对面；延时后再开启所述预处理单元与第一目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号。

和/或，

所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第二激励控制信号，激励所述第二目标换能器工作；

所述多路开关，接收所述微控制单元的第二切换控制信号，开启所述预处理单元与所述第一目标换能器之间的通路；延时后再开启所述预处理单元与第二目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号。

和/或，

所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第三激励控制信号，激励第三目标换能器工作；

所述多路开关，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与第四目标换能器之间的通路，所述第四目标换能器设置在所述第三目标换能器对面；延时后再开启所述预处理单元与第三目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号。

和/或，

所述四路信号驱动单元，接收所述微控制单元的第四激励控制信号，激励第四目标换能器工作；

所述多路开关，接收所述微控制单元的切换控制信号，开启所述预处理单元与所述第三目标换能器之间的通路。延时后再开启所述预处理单元与第四目标换能器之间的通路，获取先后两次反射信号。

这里，微控制单元对四个换能器均进行激励后，可依次分别获得超声波在正对两换能器之间来回的飞度时间。完整一次四个换能器的超声波飞度时间的测量流程图如图2所示，这里，以四个换能器均被激励为一组，其中换能器也可称为探头，一次四探头测量开始，具体包括以下步骤：

步骤S201，产生PWM激励一个探头；

步骤S202，选择对面探头为信号接收端；

步骤S203，启动ADC接收信号；

步骤S204，预置对面探头信号放大倍数；

步骤S205，延时切换本探头为接收端；

步骤S206，预置本探头信号放大倍数；

步骤S207，等待直到采样完成；

步骤S208，判断信号特征是否满足要求；

若是，则执行步骤S209，延时计算；

若否，则回到步骤S201之前；

步骤S210，判断四探头数据获取完成与否；

若是，则执行步骤S211，合成数据存入缓冲区或者输出；

若否，则执行步骤S212，调整被激励探头。

在一些实施例中，所述预处理单元包括可编程放大器、带通滤波单元和模数转换单元；

所述可编程放大器，分别与所述多路开关和所述微控制单元相连接，对从所述换能装置接收的两次反射信号进行放大操作，获得到两次高斯波包络下的正弦波的模拟信号。

所述带通滤波单元，与所述可编程放大器相连接，对放大后的信号进行滤波处理。

所述模数转换单元，(Analog-to-digital converter，ADC)，与所述带通滤波单元相连接，对过滤后的模拟信号进行数字化采样以获取微控制单元能识别的数字序列。

示例性地，电路板上包含一颗微控制器(MCU),四路信号驱动电路接入MCU的PWM信号生成部分，分别激励四路换能器。被激励换能器的对面换能器上将产生接收信号，具体选用哪个换能器作为接收信号终端则由MCU控制多路开关进行切换。选择好的信号通过可编程放大器进行放大后进入带通滤波单元。

在一些实施例中，所述模数转换单元的采样频率基于换能器精度和飞度时间精度进行设置，所述飞度时间用于计算所述风速测量结果和所述风向测量结果，如换能器精度为200K，飞度时间精度为0.1微秒。

其中，可编程放大器的放大倍数的设置由MCU完成。MCU通过控制ADC的时钟信号确定采样频率，模拟信号转换成数字信号后送入到MCU以便进行信号的评估、延时计算、信号合成与输出。

本申请还包括系统电源，用于为各模块电源提供变换与支持。

在一些实施例中，微控制单元还用于对两次反射序列中包络下的正弦波峰值出现的饱和失真和截止失真信号进行剔除。对一次反射中的高斯波下的多个正弦波波峰与波谷之间的间隔时长远超过正弦波半周期时长的异常信号进行剔除。

对因饱和失真或者截止失真剔除的信号预设新的放大倍数，以备可编程放大器下一周期使用。

对符合计算条件的序列进行频域里的互相关运算，获取超声波在空气里的飞度时间，重复获取四个换能器激励后的超声波在空气中的飞度时间后，再利用时差法计算获取二维平面里的风速风向。

对不符合计算条件的序列，若是饱和失真或者截止失真则由微控制单元调整可编程放大器的放大倍数，以期下一周期可获得符合计算条件的信号。进一步动态提高信号质量。

其中，对反射序列中的信号特征是否满足要求或是否异常的判断需要快速并准确，最主要通过判断信号的幅度是否饱和失真、截止失真，另外两次接收的信号的能量集中位置也可作为初步判断条件。对于截止失真信号则将预置放大倍数提高，饱和失真信号则对预置放大倍数进行减小。同时，接收信号中的最大值与最小值应该在一个波形周期的峰值位置和谷值位置，以此，也可以作为波形是否有效判断标准。若峰值与谷值之间的时长远超过半周期2.5微秒，则也认为该信号失真。

对于筛选后可参与计算的两次接收序列，其计算飞度时间的算法如图3到图5所示，图3为截取的第一次接收波形正半波，图4为截取的第二次接收波形正半波。图5为两次反射序列的时域互相关函数结果。找到互相关函数的最大值位置(波峰位置)补偿上两次接收信号中间的截断时间就可以获取飞度时间。

作为另一种可选的实施例，还可采用频域计算的方法，其中，图6为对第一次接收序列进行FFT计算结果示意图、图7对第二次接收序列进行FFT计算结果示意图。第一次FFT结果复乘第二次FFT结果的共轭得到的结果如图8所示，对复乘结果进行FFT逆变换得到的结果如图9所示，去除第2N(本例2N＝2048)个点，后半部分波形接到前半波之前得到如图10所示，即为相关函数的频域计算结果。

可以理解的是，图5和图10，时域的互相关函数与频域的互相关函数计算结果的图像一致，频域的计算量远小于时域的计算量。找到互相关函数的最大值位置(波峰位置)补偿上两次接收信号中间的截断时间就可以获取飞度时间。

经过以上方法，最终实现了超声波传感器的输出数据的稳定性、准确性、快速性的很大提升。

在一些实施例中，本发明实施例还提供一种超声波测风系统，包括如上所述的超声波测风传感器以及与所述超声波测风传感器相连接的上位机。

在一些实施例中，上位机可与超声波测风传感器中微控制单元进行通讯，控制其工作的开启关闭状态，将该传感器计算出的风速和风向上传到上位机中进行记录、监控和分析。

本发明实施例提供的超声波测风系统，与上述实施例提供的超声波测风传感器具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。