自适应峰值匹配法在风速测量中的应用

　　风作为一种自然现象，它是影响气候变化的重要因素之一，本身又蕴藏着巨大的能量，能对人类活动产生重大影响。目前风向风速测量仪已广泛应用于气象、航空航海、桥梁道　　路、风能发电、农业生产等行业，前景广阔[1]。 超声波测量技术以其无需转动部件、无起动风速、损耗低、安装方便，精度高等特点近年来发展很快。 时差法是这种技术测速最常采用的一种算法，它的关键在于回波时差的准确测量。 由于超声波风矢量测量回波数据量较大，传统方法在时差法测量中速度慢、准确性差，针对这些问题，本文提出了一种快速自适应波形幅值匹配技术。

　　1 基于时差法的风矢量测量原理

　　时差法测量风速是利用超声波顺风、逆风传播渡越时间的差异来测量风速[2-3]。 选取两只收发并置传感器 A、B，使两者距离固定 L，当 A 发射，B 接收时，超声波顺风传播，传播速度快;当 B 发射，A 接收时，超声波逆风传播，传播速度降低，渡越时间长，如图 1 所示.

　　2 风矢量回波信号时差 Δt 测量

　　2.1 回波信号时差 Δt 测量分析

　　在风矢量测量系统中，对于 Δt 的准确测量，既是重点，也是实现的难点。 Δt 数值很小，甚至能够达到 ns 级别。 设两传感器距离 L 为 0.25 m，在常温下，当风速为 0.1 m/s 时，由式(1)和式(2)得，tAB和 tBA分别为 735.1 μs、735.5 μs，时差 Δt 为:

　　此时 μs 级的测时误差就会对结果产生严重影响， 这就对系统时差测量准确性提出了较高的要求。 虽然发射信号仅为 40 kHz，但为了达到较高测速精度，如 0.1 m/s，则采样频率至少为 2.5 MHz， 这对采集电路以及系统的存储空间提出很高的要求，增加了实现的成本。

　　为了降低精度对系统的负担，采用插值技术可以很好的解决这个问题。 即将 Δt 的测量分为两个部分，在低采样率下进行风速的“粗测”，这里选定采样率为 400 kHz，此时得到两波形时差的主体部分 Δt1;在“粗测”准确测量后 ，平移一路波形，使两路波形对齐，取出平稳波形的一段(如图 2 中接收回　波中的平稳段)进行插值相关，即可得到“细测”的结果 Δt2。两部分结果合成即可得到 Δt，要注意 Δt2加/减的判断(与风速方向有关)。

　　文中重点讨论“粗测”结果的准确性，该部分的测量对结果影响较大，一个采样间隔的测量误差，就会造成较大的偏差。 400 kHz 采样率下，一个采样点间隔为 2.5 μs，测速误差约为 0.6 m/s。