ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ＇ａｎＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．３３Ｎｏ．３ Ｍａｙ．２０１５ 收稿日期： ２０１４０９０９ 作者简介：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。 基于三维超声风速风向仪的高精度数据测量方法 吴有恒超声风速风向仪，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 要：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。 关键词：风速风向；数据采集；数据处理 中图分类号： Ｖ２７４ 文献标识码： 文章编号：１００８９２３３ 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 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 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 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 ＨＤ２００３．１、美国 ＣａｍｐｂｅｌｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ 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 ３５ 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 Ｕｚ）、声速（ ）、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 ）供电方式：１２～３０ＶＤＣ ，功耗为 ２Ｗ （加热时 ）风速输出：测量单位： ｍｐｈ测量范围： ０～６０ｍ 测量最小分辨率：０．０１ｍ 测量误差：输出数据的１％ 输出风速 Ｕｘ Ｕｚ是参照于风速仪载体 的坐标系的风速分量 ）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％ ）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 ）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 数据采集与处理２．１ 数据采集 采集原理示意图如图 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 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。
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 ＳＣ１６Ｃ５５０ＵＡＲＴ 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 ＲＳ４８５通讯协议，自由设定 ＢＩＯＳ 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： ）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 位结束位，传输速率为３８４００ｂｐｓ 来设置。 ）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 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， 吴有恒，等：基于三维超声风速风向仪的高精度数据测量方法３６ 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＜ＩＤ＞Ｉ＆＜ＤＡＴＡ１＞＜ＤＡＴＡ２＞ ＩＩＩＩＭ＜ＩＤ＞Ｉ＆为字头， ＩＤ 为风速风向仪传感 器编号，由于是 ＲＳ４８５ 总线形式，可以连接多个风 速风向传感器，但我们这里实际只用到 ＤＡＴＡｘ为输出所测得的数据，数据顺序根据我 们的意愿可以设置，假如我们要是按照风速、风向、 温度、湿度及大气压的顺序设置，那么传感器输出 就按照我们设置好的顺序逐个输出； ＆ＡＡＡＭ＜ＩＤ ＞ＡＡ＜ＣＲ＞ 为结束符。我们可以灵活运用字头和 结束符去获取我们真正需要的有用数据。 ）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 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 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 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 ｆｌｏａｔＷｉｎｄＳｐｅｅｄ＝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 ／／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 ／／获取风速风向仪数据ＧｅｔＦＳＦＸＤａｔａ ｃｈａｒＲｅｃＢｕｆ 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， 西安航空学院学报 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 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，同时超声风速风向仪，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。 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 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。
械与电子，２００９ 现代电子技术，２００９ 超声波［ＥＢ ｆｒ＝ｑｒｌ３． ＤｅｌｔａＯｈｍ．ＴｈｒｅｅＡｘｉｓＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＡｎｅｍｏｍｅｔｅｒＵｓｅｒ＇ｓＭａｎｕａｌ ．ＣａｓｅｌｌｅＳｅｌｖａｚｚａｎｏ Ｄｅｎｔｒｏ Ｐａｄｕａ 采用直接时差法的无线超声波风速风向仪设计［ 单片机与嵌入式系统应用，２０１１ ５４５６＋６０． 基于ＺｉｇＢｅｅ 的风力发电超声波风速风向 仪设计［ 仪表技术与传感器，２０１２ 系留气球ＧＰＳ 的抗干扰研究与设计［ １４６１４８．［责任编辑、校对：张朋毅］ ＴｈｒｅｅＡｘｉｓｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒｉｓｖｅｒｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｄｅｍａｎｄｏｆｔｅｔｈｅｒｅｄａｅｒｏｓｔａｔａｎｄａｉｒｓｈｉｐｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｅｒｆｅｃｔｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄａｇｉｌｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｄｅｔｅｃｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎａｂｏｕｔｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｎｄｄｉｒｅｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｎｓｏｒ ｗｈｅｒｅｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｉｎａｔｙｐｅｏｆｔｅｔｈｅｒｅｄａｅｒｏｓｔａｔｓ．
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