本發(fā)明涉及氣象要素測量技術領域，特別涉及一種超聲波換能器測風陣列及其測風方法。

背景技術：

風速測量儀器應用領域廣泛，如風力災害預警，風力發(fā)電，環(huán)境監(jiān)測，航海航空，軍事活動等。超聲波測風損耗小，范圍廣，響應快，精度高，能夠克服機械測風遲滯、精度低等缺陷，將逐漸取代傳統(tǒng)機械測風設備。

當前的一種超聲波測風儀器中，可以采用兩組超聲波探頭垂直對射結構為十字相交陣列，但是該結構在空氣繞換能器和支柱流動時受卡門渦街和其他湍流引起的陰影效應影響嚴重，導致測量結果不準確；此外，另一種測風裝置中超聲波探頭所在發(fā)射板面和信號反射板面間測大風速時受湍流影響嚴重，風速在兩板間縱剖面梯度風速差異大，也會使得測量結果不準確。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種超聲波換能器測風陣列及其測風方法，能夠提高測風精度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種超聲波換能器測風陣列，包括主殼體、支撐所述主殼體的連接臂以及設置于所述主殼體上的測風機構，所述主殼體內(nèi)安裝有測風電路，所述測風機構包括預設數(shù)量的超聲波換能器、安裝固定接頭以及柱臂，其中，所述預設數(shù)量的超聲波換能器分為三個對射組，每個對射組均封裝于各自的安裝固定接頭內(nèi)，各個所述安裝固定接頭分別通過所述柱臂與所述主殼體相連，三個所述安裝固定接頭處于同一水平面上并且構成等邊三角形。

進一步地，三個所述安裝固定接頭所在的水平面高于所述主殼體的頂蓋，三個所述安裝固定接頭所在的水平面與所述頂蓋之間相距300毫米。

進一步地，所述主殼體的底部設置有擴展口以及與所述測風電路相連的數(shù)據(jù)通訊接口。

進一步地，所述頂蓋上還設置有數(shù)字指南針和指北方向標。

進一步地，相鄰兩個對射組之間的間距為200毫米，各個所述超聲波換能器的晶片為直徑為10毫米的圓形晶片，所述柱臂和所述安裝固定接頭的直徑均為20毫米。

為實現(xiàn)上述目的，本申請還提供哪一種測風方法，所述方法包括：根據(jù)當前風向與三個對射組構成的等邊三角形中的第一邊的夾角，建立各條邊分別對應的當前風速與所述夾角之間的關聯(lián)關系；確定當前順風時間關系值，并根據(jù)所述當前順風時間關系值所在的范圍以及建立的所述關聯(lián)關系，確定當前的風向和風速。

進一步地，當所述夾角的范圍為大于或者等于0°并且小于20°時，按照下述公式建立與第二邊對應的當前風速與所述夾角之間的關聯(lián)關系：

按照下述公式建立與第三邊對應的當前風速與所述夾角之間的關聯(lián)關系：

其中，d表示相鄰兩個對射組之間的間距，t_AC表示所述第二邊對應的順風時間差值，t_CA表示所述第二邊對應的逆風時間差值，t_CB表示所述第三邊對應的順風時間差值，t_BC表示所述第三邊對應的逆風時間差值，v_聲表示超聲波的聲速，v_風表示當前風速，θ表示所述夾角。

進一步地，當所述夾角的范圍為大于或者等于20°并且小于或者等于30°時，按照下述公式建立與第二邊對應的當前風速與所述夾角之間的關聯(lián)關系：

按照下述公式建立與第一邊對應的當前風速與所述夾角之間的關聯(lián)關系：

其中，d表示相鄰兩個對射組之間的間距，t_AC表示所述第二邊對應的順風時間差值，t_CA表示所述第二邊對應的逆風時間差值，t_AB表示所述第一邊對應的順風時間差值，t_BA表示所述第一邊對應的逆風時間差值，v_聲表示超聲波的聲速，v_風表示當前風速，θ表示所述夾角。

進一步地，按照下述公式確定當前的風向和風速：

其中，v_風表示當前風速，θ表示當前風向與三個對射組構成的等邊三角形中的第一邊的夾角，d表示相鄰兩個對射組之間的間距，t_AC表示所述第二邊對應的順風時間差值，t_CA表示所述第二邊對應的逆風時間差值，t_CB表示所述第三邊對應的順風時間差值，t_BC表示所述第三邊對應的逆風時間差值，t_AB表示所述第一邊對應的順風時間差值，t_BA表示所述第一邊對應的逆風時間差值。

由上可見，本發(fā)明采用六個收發(fā)一體的超聲波換能器，設置獨立的三條測風路徑，并根據(jù)不同來流方向，建立了風速計算模型，從而可以結合換能器晶片的工作特性，優(yōu)化了測風陣列的設計，降低了陰影效應的影響，從而提高了測風精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施方式提供的測風陣列的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施方式提供的測風陣列的俯視圖；

圖3為本發(fā)明實施方式提供的測風陣列的仰視圖；

圖4為本發(fā)明實施方式提供的測風方法的原理圖；

圖5為本發(fā)明實施方式提供的測風方法的流程圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施方式中的附圖，對本申請實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式僅僅是本申請一部分實施方式，而不是全部的實施方式?；诒旧暾堉械膶嵤┓绞剑绢I域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施方式，都應當屬于本申請保護的范圍。

請參閱圖1至圖3，本申請實施方式提供的超聲波換能器測風陣列，包括主殼體9、支撐所述主殼體9的連接臂9以及設置于所述主殼體8上的測風機構。所述主殼體內(nèi)安裝有測風電路(未示出)，所述測風機構包括預設數(shù)量的超聲波換能器10至15、安裝固定接頭1、2、3以及柱臂4、5、6，其中，所述預設數(shù)量的超聲波換能器分為三個對射組，每個對射組均封裝于各自的安裝固定接頭內(nèi)，各個所述安裝固定接頭分別通過所述柱臂與所述主殼體8相連，三個所述安裝固定接頭處于同一水平面上并且構成等邊三角形。

在本實施方式中，三個所述安裝固定接頭1、2、3所在的水平面高于所述主殼體8的頂蓋7，三個所述安裝固定接頭1、2、3所在的水平面與所述頂蓋7 之間相距300毫米。

在本實施方式中，所述主殼體8的底部設置有擴展口19以及與所述測風電路相連的數(shù)據(jù)通訊接口18。這樣，主殼體內(nèi)的測風電路可以將測得的風速、風向值通過數(shù)據(jù)通訊接口18發(fā)送給外部的信息控制箱。開發(fā)人員可通過擴展口19對所述測風陣列進行升級調(diào)試或進行二次開發(fā)。

在本實施方式中，所述頂蓋7上還設置有數(shù)字指南針16和指北方向標17。

在本實施方式中，相鄰兩個對射組之間的間距為200毫米，各個所述超聲波換能器的晶片為直徑為10毫米的圓形晶片，所述晶片可以獲得12°左右的聲束角，所述柱臂和所述安裝固定接頭的直徑均為20毫米。

請參閱圖4和圖5，本申請實施方式還提供一種測風方法。所述方法可以包括以下步驟：

步驟S1：根據(jù)當前風向與三個對射組構成的等邊三角形中的第一邊的夾角，建立各條邊分別對應的當前風速與所述夾角之間的關聯(lián)關系；

步驟S2：確定當前順風時間關系值，并根據(jù)所述當前順風時間關系值所在的范圍以及建立的所述關聯(lián)關系，確定當前的風向和風速。

具體地，可以將三個對射組等效成A，B，C三個點，從而可以得到如圖4所示的等邊三角形，三個頂點之間的間距為d，虛線AH與CB平行。在本實施方式中，可以將實測風進入換能器陣列分為三種情況：

1、風向與三角形某邊垂直。此時其余兩組換能器所測得時間差值相同，垂直組v_順＝v_逆，其中，v_順為順風風速，v_逆為逆風風速。

2、風向與三角形某邊平行。此時其余兩組換能器所測得時間差值相同，但平行組v_順≠v_逆。

3、風向與三角形某邊夾角0°＜θ＜30°。

在本實施方式中，假設當前風向與AB邊夾角0°≤θ＜20°，則該邊迎風端換能器將受陰影效應影響。此時另外兩條邊AC和BC與風向夾角分別為π/3-θ＞20°，2π/3-θ＞20°。受陰影效應湍流影響，路徑AB上所測得時差值不用于風速風向 值計算，根據(jù)路徑AC上測得順時間值逆風，可得：

同理可得路徑BC上時間和風速間關系

其中，AB可以為等邊三角形的第一邊，AC可以為第二邊，BC可以為第三邊，d表示相鄰兩個對射組之間的間距，t_AC表示所述第二邊對應的順風時間差值，t_CA表示所述第二邊對應的逆風時間差值，t_CB表示所述第三邊對應的順風時間差值，t_BC表示所述第三邊對應的逆風時間差值，v_聲表示超聲波的聲速，v_風表示當前風速，θ表示所述夾角。

由方程組(1)、(2)得

令式(3)、(4)等號右側分別為N₁和Q₁，則有

假設風向角與AB邊夾角20°≤θ≤30°，則可忽略陰影效應對路徑AB的影響。此時AB路徑上時間和風速間關系為

由方程組(1)、(6)得

令式(7)、(8)等號右側分別為N₂和Q₂，得

三條測風路徑沿順風方向與實際風向夾角中，最小角與最大角之間相差π/3，則順風時間關系令所述順風時間關系值為R，最終風向角和風速值為：

這樣，通過等邊三角形陣列相互獨立的三條路徑，可以為不同風向設置不同計算模型，從而降低陰影效應干擾，提高測風精度。

由上可見，本發(fā)明采用六個收發(fā)一體的超聲波換能器，設置獨立的三條測風路徑，并根據(jù)不同來流方向，建立了風速計算模型，從而可以結合換能器晶片的工作特性，優(yōu)化了測風陣列的設計，降低了陰影效應的影響，從而提高了測風精度。

上面對本申請的各種實施方式的描述以描述的目的提供給本領域技術人員。其不旨在是窮舉的、或者不旨在將本發(fā)明限制于單個公開的實施方式。如上所述，本申請的各種替代和變化對于上述技術所屬領域技術人員而言將是 顯而易見的。因此，雖然已經(jīng)具體討論了一些另選的實施方式，但是其它實施方式將是顯而易見的，或者本領域技術人員相對容易得出。本申請旨在包括在此已經(jīng)討論過的本發(fā)明的所有替代、修改、和變化，以及落在上述申請的精神和范圍內(nèi)的其它實施方式。

本說明書中的各個實施方式均采用遞進的方式描述，各個實施方式之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施方式重點說明的都是與其他實施方式的不同之處。

雖然通過實施方式描繪了本申請，本領域普通技術人員知道，本申請有許多變形和變化而不脫離本申請的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化而不脫離本申請的精神。