超声波风速风向仪的研制

　　引言

　　风矢量是基本的气象要素之一，也是大气边界层最基本的特征量之一。现代气象监测站多向着全天无人值守发展。建立自动气象监测站，迫切需要精度高，免维护的自动监测仪器———包括达到此要求的风速风向仪。传统的机械式风速风向仪存在转动部件，容易产生磨损。机械结构可能受到恶劣天气的损害。沙尘和盐雾也会对其造成腐蚀。同时，由于摩擦的存在，机械式风速风向仪还存在启动风速。低于启动值的风速将不能驱动螺旋桨或者风杯进行旋转。因此对于低于启动风速的微风，机械式风速仪将无法测量。为克服传统风杯式风速风向仪的固有缺点，新型超声波风速风向仪应运而生。超声波风速测量技术测量仪器没有活动的机械部件，取而代之的是若干个超声波传感器。理论上可以测量的风速范围下限为零，不存在启动风速;风速上限可以根据传感器间距进行调整。市场上销售的成熟产品有芬兰Vaisala 公司的WS425 等型号。国内未见类似产品。

　　本文共分为三个部分，第一部分介绍利用超声波测量风速的原理。第二部分介绍测量系统的结构和设计过程。第三部分介绍系统的试验结果以及结果分析。最后对全文进行了总结，分析和展望。

　　1原理

　　利用超声波测量风速风向，其核心在于测量超声波在空气中传播的时间，即所谓的飞渡时间(TOF，time of flying)，超声波从一个探头传送到另一个探头所需要的时间是与风速以及超声通路有关。顺风将使超声信号传播时间递增，逆风将会使之递减。如果风速为零，信号双向的传输时间相等。如果在两个不相关方向上同时测量风速，就可以通过三角学合成计算出风速以及风向。依此原理，超声波风速仪可仅仅使用三个探头即可确定平面中的风速风向。但是在实际设计中，由于设计到信号强弱的问题，使用四个探头的设计也较常见。以下数学模型适用于四探头系统。

　　2系统结构和硬件设计

　　测量系统的硬件结构如图1所示，为了防止发射和接收信号相互干扰，以及考虑到便于维修，将整个系统模块化，分为接收分板、发射分板和数字分板。三块分板插接在底板上，这样可以方便维修和替换。

　　为了达到测量要求，高速的计时电路是必须的。因此，选择使用PIC 系列单片机18F4580。该单片机拥有内置的 PLL 倍频技术，在使用10M 晶振时，进行四倍频时，单片机内部频率可以达到40MHz，PIC 单片机采用 4 指令周期，所以计时器速度为10M/s。时间测量的最大误差是 100ns。同时，单片机作为控制核心，负责换能器切换，数据储存和计算。模拟部分主要由升压电路、发射电路和接收电路组成。四个换能器分为各自相对的两对。通道选择电路使每对探头交替接收和发射。例如，S0 被接入发射电路，S1 就被接入接收电路。S2、S3 则被隔离。完成一次测量之后 S0 和 S1 发射接收功能互换，进行反向测量。之后，S0、S1 被隔离，S2、S3 进行发射接收。