超声波测风仪设计中几个问题的探讨

    1 引言

    在测量风速风向的方法中,利用超声波来测风由于有反应速度快、测量精度高、分辩率高、使用不需校正等优点,目前已成为了一种十分重要的测量方法。而传统的机械式测风方法,由于它历史悠久、使用普遍、有完善的理论基础和测量数据,是大多数人所熟悉的测量方法。

    为了比较超声波式和机械式测风方法的特点,采用了gill仪器的Winsonic 2D超声测风探头、AMALGA-MATED INSTRUMENT的05103L螺旋浆式风速风向计探头作为测风系统的传感器;采用Campbell scientific ,Inc的CR200系列数据采集卡来进行信号处理和转换;采用PC机作为系统的数据处理和显示平台;最后构成一个风速风向的测量系统。

    由于风速是由许多在时空上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度规则气流上的一种三维矢量。比较上述两种测量方法可以认识到:首先,克服超声波测风全天候使用对于推广超声波测风技术是有意义的。这是由于Winsonic 2D超声测风探头所测得风为平均的水平风,是在极坐标上表示出风速和风向;一般的3D声学风速表在雨天条件下使用时,如果传感器上有水时就会改变其声波传播路径长度而使得测量值变得不可靠。其次,分析超声波的传输特性和大气中的杂质、大气环境对风速风向测量的影响对超声测风仪推广使用和设计也是极其重要的;不管是直接传播时间差法、卡门涡流法还是其它超声测风方法在设计和使用会涉及到这个问题。 

    2 超声波风速、风向测量与温度等环境因素的关系

    2.1 基于直接传播时间差的测量

    2.1.1 水平风的测量

    设南北(或东西)两超声收发器的距离为d,顺风传输时间为t12,逆风传输时间为t21,风速为V(南北为Vx,东西为Vy),超声波传播速度为c。有:

    同理可求得Vy,进而得出风速V,风向H。该法对于窄带的超声信号,消除了声速c的影响,被测风速只与顺逆流传播时间有关系,因而只要测得t12和t21,便可以求得当前被测风速、风向,基本上消除了温度等影响。如图2所示的Gill的Winsonic 2D风速、风向仪采用的就是这样的工作原理。实际测量的结果也可反映这一特点。

    2.1.2 三维风速测量

    如果从三维来考虑:假设气流速度为V的3个分量为Vx、Vy、Vz,声波从坐标原点到达某一位相面(x,y,z)所需的时间为t时,则有

 (x-vxt)2+(y-vyt)2+(z-vzt)2=c2t2

    设y和z等于零,等位相面到达点(d1,0,0)和点(d2,0,0)的时间为t1和t2.

    当逆风发射时: