高精度超声风速测量系统设计与实现

　　0 引言

　　风速和风向信息是一种重要的气象要素，被广泛应用于民用和军事等领域。风速风向测量设备根据基本原理不同，大致可分为机械式风速仪、超声风速仪、激光多普勒风速仪、空速管、热线风速仪等。其中，常用的机械式风速仪存在机械部件易损耗、有低速风速测量盲区、实时精度低等缺点。超声风速仪则无机械活动部件，易于安装维护，且具有反应速度快、量程广、盲区小、线性度好、精度高、不需校正等优点，使用越来越广泛^[1]。

　　超声风速仪根据测量方法的不同，可分为超声速差测风仪和超声涡街测风仪^[2]。超声涡街测风仪根据卡门涡街原理，利用超声波束被旋涡调制来进行连续定点测量。其在使用过程中，需要定期对漩涡发生体( Vortex Generator) 进行清洗，且其风速测量范围较小。超声速差测风仪检测超声波在顺风路径和逆风路径上传播速度差，实现对风速的测量; 具有结构简单、风速测量范围广、线性度高等优点。市场上大多数超声风速仪均是基于速差测量原理。

　　根据系统结构和计算方法的不同，超声速差风速仪检测方法又可分为: 时差法、频差法、多普勒法、相关法等。其中时差法风速仪具有原理简单、结构简单、易于实现、适用范围广等优点。基于时差法设计和实现超声风速仪的关键在于如何提高测量的精度，有效降低环境等因素对其产生的影响。文中首先分析了影响时差法超声风速风向测量系统精度的因素。针对这些影响因素，在超声换能器设计、阵型设计、电路系统设计和信号处理算法等方面提出了提高系统精度的设计方案，并制成样机。最后，对样机的测量精度进行了实验测试，并将测试结果与市场上同类产品的相关性能指标进行了对比。

　　1 时差法测量原理及误差来源分析

　　1. 1 时差法测量原理

　　时差法风速测量的原理如图 1 所示。通过检测超声波在顺风路径的传播时间 t_BA和逆风路径的传播时间 t_AB，确定风速分量大小。

　　设空气中声速为 c，风速为 v，一组换能器轴线与风向的夹角为 θ，换能器的距离为 L，超声波在顺风和逆风路径的传播时间分别为

　　1. 2 时差法测量误差来源

　　环境的温度湿度等因素对声速 c 造成很大的影响，但由式( 3) 可知，使用时差法，风速的测量不依赖于声速，风速分量只与 L、t_BA及 t_AB的测量有关。事实上，使用时差法，影响测量误差的因素有如下几个方面:

　　( 1) 换能器安装位置误差，会直接影响到 L 的测量精度;