申请/专利权人：吉林大学

申请日：2021-11-20

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN114088973B

主分类号：G01P5/24

分类号：G01P5/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2022.03.15#实质审查的生效;2022.02.25#公开

摘要：本发明涉及一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统及方法，属于超声波测风系统及方法。包括微处理器模块、信号发生器模块、锁相环、D触发器组、发送模块组、超声波换能器组、模拟多路开关、接收模块组、低噪声信号放大器、带通滤波器、差动放大器、AD采样模块。优点是通过锁相环实现参考信号四倍频，可以确保AD采样时钟信号与参考信号相位差为0，从而实现AD模块在发射信号一个周期内采样点相位位于参考信号0°、90°、180°、270°四点，使得互相关计算结果呈线性相关，大大降低微处理器模块数据处理的难度，在复杂测量环境下实现宽范围、更高精度、更低延迟的风速风向测量。

主权项：1.一种基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统的测风方法，采用基于双PSD数字锁相放大器的超声波测风系统，该系统包括微处理器模块、信号发生器模块、锁相环、D触发器组、发送模块组、超声波换能器组、模拟多路开关、接收模块组、低噪声信号放大器、带通滤波器、差动放大器、AD采样模块和与上位机通信模块，其中微处理器与信号发生器相连，信号发生器的输出端口一路与锁相环的参考信号端相连，锁相环的反馈回路由D触发器组构成，信号发生器模块与发送模块组相连，发送模块组与超声波换能器组相连，超声波换能器组与接收模块组相连，发送模块组和接收模块组的控制端与模拟多路开关相连，接收模块组的输出端经过低噪声信号放大器后输入到带通滤波器，带通滤波器输出端与差动放大器相连，差动放大器的输出端与AD采样模块的输入端相连，锁相环的输出端与AD采样模块的时钟信号端相连，AD采样模块的输出端连接至微处理器模块，微处理器模块和与上位机通信模块相连，用于输出所测得的风速、风向角和下达控制指令；其特征在于，包括下列步骤：步骤一：系统上电，各模块初始化；步骤二：微处理器控制信号发生器产生驱动信号经过各发送模块驱动超声波换能器组发射超声波信号，下反射板的超声波换能器组发射的超声波在两个反射极板之间发生多次反射，在声学共振腔体内形成共振现象，产生垂直于流体流动方向的驻波和垂直于驻波的行波；步骤三：发送模块和接收模块的控制端均与模拟多路开关相连，微处理器控制模拟多路开关保证在任意时刻，三个超声波换能器组中仅有一个换能器发射超声波，其余两个换能器接收信号，三个换能器轮换发射一周，可获得三组接收数据；步骤四：超声波换能器组在接收到超声波信号后，将声波信号转换为电信号，进入处理电路，处理电路包括低噪声信号放大模块、带通滤波器、差动放大器和AD采样电路；具体处理如下：微处理器控制信号发生器产生的驱动信号一路驱动各超声波换能器依次发射超声波：st＝Asinωt式中A为发射超声波的幅值，ω为发射超声波的角速度；超声波换能器接收到的超声波信号为：s't＝A'sin[ωt+△t]+nt＝A'sinωt+θ+nt式中A′为接收超声波的幅值，△t为接收信号与发射信号之间的时差，θ为接收信号与发射信号之间的相位差，nt为噪声；接收到的超声波信号经过低噪声信号放大模块和带通滤波器后输入差动放大器，差动放大器输出为：s”+t＝Bsinωt+θs”-t＝-Bsinωt+θ信号发生器产生的驱动信号另一路通过锁相环和以两个D触发器组成的四倍频电路，得到AD采样模块的参考时钟信号：xadt＝Csin4ωt式中C为AD采样模块的参考时钟信号的幅值；AD采样模块在上升沿获取数据流，在下降沿启动数据转换和传输，在一个周期内采样点分别在ωt＝0°、90°、180°、270°；步骤五：将经过AD采样处理的信号输入到微处理器，在微处理器中设计双数字PSD，AD采样模块和双数字PSD共同构成双PSD数字锁相放大器，对采样结果进行互相关运算求得相位差θ，随后采用改进时差法计算风速，并对风速风向进行矢量合成；具体运算如下：第一步：微处理器接收到来自AD采样模块传输的数据，在微处理器中进行如下运算：xout1＝[s”+t-s”-t]×Asinωt＝2Bsinωt+θ×Asinωtxout2＝[s”+t-s”-t]×Acosωt＝2Bsinωt+θ×Acosωt因为AD采样过程在一个周期内采样点分别在ωt＝0°、90°、180°、270°时，当ωt＝0°时sinωt＝0，cosωt＝1；当ωt＝90°时sinωt＝1，cosωt＝0；当ωt＝180°时sinωt＝0，cosωt＝-1；当ωt＝270°时sinωt＝-1，cosωt＝0；所以有当ωt＝0°时，运算结果为ABsinθ；当ωt＝90°时，运算结果为-ABcosθ；当ωt＝180°时，运算结果为-ABsinθ；当ωt＝270°时，运算结果为ABcosθ；对运算结果数据中小于零的数据取补码，得到一个周期内ABsinθ和ABcosθ的值，认为在一次测风过程中风速风向没有发生变化，而一次测风过程包含多个采样周期，所以可以得到多组ABsinθ和ABcosθ的值；第二步：步骤三中的带通滤波器虽然可以滤除大部分噪声，但在通带部分依然会存在噪声，所以接下来对采得的ABsinθ和ABcosθ的值各自取平均，得到ABsinθ和ABcosθ的平均值；第三步：进而求得时差第四步：以超声波换能器组中某两个换能器方向为例，第一个超声波换能器发射第二个超声波换能器接收可求得△t顺风，第二个超声波换能器发射第一个超声波换能器接收可求得△t逆风，风速同理可计算每两个换能器方向上的风速Vmn、Vnp、Vpm；第五步：风速合成首先将Vmn与Vnp合成，可得同理，由Vmn与Vpm合成可得Vnp与Vpm合成可得因此，风速值为：第六步：风向合成设m→n为仪器测量正方向，依据三角形内角关系有：θmn＝θnp-120°＝θpm+120°式中，θmn为风向与mn边的夹角；θnp为风向与np边的夹角；θpm为风向与pm边的夹角；设风向与仪器正方向的夹角为β，首先合成Vmn和Vnp，求得实际风向与正方向的夹角β′，应用直角三角形余弦函数，则有：同理分别对Vmn、Vpm合成得到β″，对Vnp、Vpm合成得到β″′，其中则实际风向与仪器正方向夹角β为： 步骤六：将计算结果通过与上位机通信模块上传，之后返回步骤二，如此循环得到不同时刻的风速与风向角。

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