基于三维超声风速风向仪的高精度数据测量方法
2015-05-09吴有恒荣海春
吴有恒，荣海春
(中国电子科技集团公司第三十八研究所 浮空平台部，安徽 合肥 230031)
基于三维超声风速风向仪的高精度数据测量方法
吴有恒，荣海春
(中国电子科技集团公司第三十八研究所 浮空平台部，安徽 合肥 230031)
三维超声风速风向仪具有测量精度高，响应速度快，功能全面，配置灵活等特点，非常适合系留气球及飞艇等浮空器对大气环境参数监测的要求。提出了基于该型传感器的风速风向检测系统的设计方法，重点介绍了风速风向数据的采集和处理过程。该方法已在某型系留气球系统中得到成功应用。
风速风向；数据采集； 数据处理
0 引言
系留气球属于浮空器的一种，是一种无动力气球飞行器。它用系留缆绳与地面系留设施连接，内部充有氦气，靠囊体排开空气产生的静浮力升空。系留气球系统一般由球体、缆绳组件、地面系留设施、操控系统、压力调节系统、电源系统等部分组成。系留气球具有滞空时间长，环境适应性强，部署简单灵活，造价和维护费用低廉，机动性强等特点[1]。
系留气球的抗风适应能力与球体的气动特性、布局、净浮力和体积大小有关。为了准确实时监测气球动态，系留气球所处位置的风速风向数据对整个系留气球平台来说就显得尤为重要，是判断气球空中执行任务时安全操作的重要依据之一，是压力调节系统压力参数设置的入口值，更是判断系留气球是否能继续安全放飞的重要决策依据[2]。
1 系留气球风速风向仪传感器选型
1.1 传感器选型
系留气球一般都处在千米以上的高空，风的变化随机性较强，检测系统必须能及时的对风速、风向的变化做出反应，传统的机械方式远不能满足系留气球的实时性、精确性要求，只有依靠高精度传感器检测。用风速风向仪对气球周围的风速和风向进行测量是较为直接的手段。风速风向仪有二维和三维两种类型，由于气球在空中是运动的，两维的风速风向仪会因气球的倾斜而造成测量结果的不准确。为此，我们选用三维超声风速风向仪。三维超声风速风向仪是利用超声波进行风速测量的。超声波[3]是频率高于20000Hz的声波，其特征是波长短，近似作直线传播，可形成高强度、剧烈震动。超声风速风向仪是利用超声波在顺风和逆风时传播速度不同，通过测量其时间差方法判定风速的大小。借助风速风向仪在空间方向上互相垂直分布的三对探头，通过测定空间的三维风速，再利用矢量合成的方法就可以计算得到风向。典型产品有芬兰维萨拉公司的WXT510、意大利Aelta公司的HD2003.1、美国Campbell Scientific公司的CSAT3、R.M.YOUNG公司的81000等。综合比较上述几种产品的性能、重量等指标，结合系留气球实际的工程需求，我们选用意大利Aelta公司的HD2003.1型传感器，该型传感器无可动部件，测量精度高，响应速度极快，功能全面，不但能够测量风速与风向，还能测量大气的温度、湿度及大气压等。
1.2 主要性能参数
意大利Aelta公司的HD2003.1三维超声风速仪采用脉冲声学模式工作，可以适应在恶劣天气条件下的暴露工作。可以测量三相正交风速分量(Ux、Uy、Uz)、声速(C)、超声波的温度及相对湿度；可以同时输出温度、相对湿度、气压；提供电流/电压模拟、RS232/RS485两种类型的数据输出；可配置数据的输出速率，以最大50Hz的速率测量和输出；完善的故障自检功能并报告错误类型；内部集成数字罗盘自动定磁北；超声波测量仪上集成自动加热设备，保证下雪、冻雨、冰雹等恶劣环境下也能使用[4]。
(1)供电方式：12～30VDC，功耗为2W(加热时为6W)。
(2)风速输出：
测量单位：m/s、cm/s、km/h、knots、mph
测量范围：0～60 m/s(216km/h)
测量最小分辨率：0.01m/s
测量误差：输出数据的±1%
输出风速Ux、Uy、Uz是参照于风速仪载体的坐标系的风速分量
(3)风向输出：
测量范围：方位0～360°，俯仰±60°
测量最小分辨率：0.1°
测量误差：输出数据的±1%
(4)测量温度输出：
测量范围：-40°～60°
测量最小分辨率：0.1°
测量误差：±0.2°
(5)相对湿度输出：
测量范围：0～100% RH
测量最小分辨率：0.1% RH
测量误差：±2.5% RH
HD2003.1实物外形图如图1所示。
图1 风速风向仪实物外形图
2 数据采集与处理
2.1 数据采集
采集原理示意图如图2所示，为了便于准确获取系留气球所处位置的环境参数，我们一般把风速风向仪安装在球的头顶部，这样传感器的位置离我们信息处理单元的安装位置就比较远，大于15米，为了保证数据通信的可靠性，我们一般采取通信距离较远的485接口。
图2 数据采集示意图
在风速风向仪数据采集系统中，以嵌入式球控计算机作为主处理单元，传感器与主处理单元之间通过接口处理模块相连。接口处理模块是高性能的基于SC16C550 UART芯片设计的串行通信扩展模块，可根据需要通过板上的跨接跳线，自由选择RS232、RS422或RS485通讯协议，自由设定BIOS/DOS中规定的扩展串行通讯口地址，而且对每个通讯口的中断IRQ也可通过板上的跨接端子自由选择，模块的RS485功能使用自动收发控制电路，不需要设置任何跳线器和波动开关以决定收发选择。该接口处理模块被设计在球控处理计算机的插件印制板上，从而实现与球控处理计算机的无缝对接。
数据采集过程如下：
(1)传感器参数设置：风速风向仪在出厂时对内部参数进行了默认设置，但是由于工程使用环境的不同，默认设置不一定满足实际的使用要求，为此需要通过传感器自带的参数设置软件将传感器设置成为满足系留气球使用要求的数据格式。接口通讯格式按照8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位、1位结束位，传输速率为38400bps来设置。
(2)数据问询发起：由于我们采用RS485接口通讯方式，根据其使用指南，必须在问询命令发出之前，给传感器先输入一个不小于2ms的Break信号，传感器才能接收问询命令。问询命令由字头、字长、数据及校验组成。球控处理计算机上电后，球控处理程序会定时发送命令问询信息，请求风速风向传感器回馈采集的风速风向数据。传感器收到命令后立刻向球控处理计算机回馈一组采集到的数据作为应答。回馈的数据格式由字头、数据和结束符组成，具体响应信息格式如下：
IIIIM
IIIIM
(3)数据接收：数据接收的一个重要内容就是要去伪存真，由于环境的不确定性，传感器可能受到干扰，风速风向仪发出的数据并不都是我们想要的，可能存在误码等情况。我们的判断依据是字头和结束符，由于字头和结束符都是确定已知的，当一帧数据被采集到后，首先判断字头是不是正确，如果字头正确，我们就开始接收数据并保存，如字头不正确，则丢掉接收到的数据，继续比较判定等待字头；通过判断数据结束符是否正确以及数据长度是否符合要求来结束一帧数据的接收，如数据长度不对，这帧数据也抛弃。当收到一帧正确的数据后，就转入数据处理程序，对采集到的数据进行处理[5]。
2.2 数据处理
数据处理程序的主要功能是将共用接收缓区收到的正确数据转移到风速风向仪传感器的专用缓区，并进行解析和处理，把我们需要的风速、风向、大气压、湿度及温度等数据提取出来送给地面主控终端。数据处理软件是基于Tornado开发环境的Vxworks实时操作系统，充分发挥Vxworks的多任务调度、任务间同步与通信、中断处理支持、内存管理等的优越性，同时利用以太网进行目标机与宿主机的通信，可以远程实时根据风速风向大气环境参数的变化，对球控处理程序进行优化和完善。整个数据采集和处理流程[6]如图3所示。数据采集和处理流程框是数据处理软件的关键算法，是数据从传感器正确采集和处理的保证。主要的数据处理语句有：
//风速风向等参数定义
float WindSpeed = 0;
float WindDire = 0;
float DQWD = 0;
float DQSD = 0;
float DQYL = 0;
//向风速风向仪发送请求命令信息
SendRequesttoFSFXData( )；
//从缓区中读取风速风向仪数据
Get_OneGroupDataFromFSFX(report_data,report_data_length)；
//将风速风向数据从共用缓区移送至风速风向仪专用缓区
memcpy(report_dataFSFX,report_data,report_data_length*sizeof(CHAR))；
//获取风速风向仪数据
GetFSFXData(char* RecBuf,U16 Length)；
图3 数据采集和处理流程
3 防雷击及抗干扰考量
由于风速风向传感器安装在系留气球的头顶部，很容易遭受雷电的袭击，这样极易损坏传感器，为了防止传感器遭受雷击，同时也从整个系留气球安全性的角度来考虑，我们在系留气球的顶部安装有防雷网，使传感器处于防雷网的保护范围之类，免受直击雷的危害。同时再给风速风向仪供电单元上加装隔离变压器以及浪涌保护器，可以避免感应雷对传感器的干扰和损害[7]。
在传感器的工作过程中，由于整个系留气球系统电子设备较多，在布线时，为了规范和美观，一般都粘有规则的走线槽，电缆在走线过程中不可避免会出现模拟信号线、数字信号线、控制线和电源线在一个线束中并排走的情况，这样线间耦合就会产生传输过程的干扰。为了抑制这种干扰，一般都采取屏蔽和接地措施。屏蔽主要是针对传输中的线缆和连接器，线缆采用带屏蔽护套的线缆，连接器采用带滤波电容的连接器，同时，在线缆的两端加装屏蔽环。接地是可靠屏蔽的一个关键因素，线缆的屏蔽层和连接器的壳体都要可靠接地，这样才能尽可能的减少线间干扰，保证传感器工作的可靠性。
4 结语
图4 机械式与超声波风速风向仪数据对比
HD2003.1三维超声风速风向仪是一款性能优越的风速风向测量设备，本文结合系留气球对大气环境的工程需求特点，提出了一种方便、可靠的风速风向测量方法，为在系留气球和飞艇等对性能和测量参数要求严格场合下的应用提供了一种可供参考的设计思路。采用本文方法测得的数据与机械式风速风向仪测得的数据对比如下图4所示。
明显看出，在同等条件下，三维超声风速风向仪测得的数据精度和辨识度要远高于机械式风速风向仪。
[1] 彭桂林,陈利.系留气球系统除冰雪装置的研制[J].机械与电子,2009(1):17-20.
[2] 段晓超,谭剑波.系留气球压力调节系统的建模和设计[J].现代电子技术,2009(11):110-112.
[3] 百度百科.超声波[EB/OL].(2014-10-29) [2014-11-6].http://zhidao.baidu.com/question/23027832.html?fr=qrl3.
[4] Delta Ohm.Three-Axis Ultrasonic Anemometer User's Manual[R].Caselle Selvazzano Dentro Padua,Italy,2006.
[5] 周康,辛晓帅.采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(12):54-56+60.
[6] 辛晓帅,周康.基于ZigBee 的风力发电超声波风速风向仪设计[J].仪表技术与传感器,2012(8):19-21.
[7] 朱弘,郭立俊.系留气球GPS的抗干扰研究与设计[J].2011(5):146-148.
[责任编辑、校对：张朋毅]
High Precision Data Measurement of Wind Speed and Direction Based on Three-Axis Ultrasonic Anemometer
WuYou-heng，RongHai-chun
(Aero platform Department,No.38 Research Institute of CETC,Hefei,230031,China)
Three-Axis ultrasonic anemometer is very suitable for the environment monitor demand of tethered aerostat and airship because of its high precision, fast answer, perfect function and agile configuration.This paper proposes a detection design about wind speed and direction based on the sensor, where the course of data collecting and processing is described emphatically。This method has been used successfully in a type of tethered aerostats.
wind speed and direction；data collecting；data processing
2014-09-09
吴有恒(1980-)，男，湖北武穴人，工程师，主要从事浮空器电讯总体设计工作。
V274
A
1008-9233(2015)03-0034-04
