超聲波風(fēng)向風(fēng)速儀原理

風(fēng)矢量是基本的氣象要素之一，也是大氣邊界層最基本的特征量之一。現(xiàn)代氣象監(jiān)測(cè)站多向著全天無(wú)人值守發(fā)展。建立自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站，迫切需要精度高，免維護(hù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器———包括達(dá)到此要求的風(fēng)向風(fēng)速記錄儀。傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀存在轉(zhuǎn)動(dòng)部件，容易產(chǎn)生磨損。機(jī)械結(jié)構(gòu)可能受到惡劣天氣的損害。沙塵和鹽霧也會(huì)對(duì)其造成腐蝕。同時(shí)，由于摩擦的存在，機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀還存在啟動(dòng)風(fēng)速。低于啟動(dòng)值的風(fēng)速將不能驅(qū)動(dòng)螺旋槳或者風(fēng)杯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此對(duì)于低于啟動(dòng)風(fēng)速的微風(fēng)，機(jī)械式風(fēng)速儀將無(wú)法測(cè)量。為克服傳統(tǒng)風(fēng)杯式風(fēng)速風(fēng)向儀的固有缺點(diǎn)，新型超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀應(yīng)運(yùn)而生。

超聲波風(fēng)速測(cè)量技術(shù)測(cè)量?jī)x器沒(méi)有活動(dòng)的機(jī)械部件，取而代之的是若干個(gè)超聲波傳感器。理論上可以測(cè)量的風(fēng)速范圍下限為零，不存在啟動(dòng)風(fēng)速；風(fēng)速上限可以根據(jù)傳感器間距進(jìn)行調(diào)整。

用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向，其核心在于測(cè)量超聲波在空氣中傳播的時(shí)間，即所謂的飛渡時(shí)間（TOF，time of flying），超聲波從一個(gè)探頭傳送到另一個(gè)探頭所需要的時(shí)間是與風(fēng)速以及超聲通路有關(guān)。順風(fēng)將使超聲信號(hào)傳播時(shí)間遞增，逆風(fēng)將會(huì)使之遞減。如果風(fēng)速為零，信號(hào)雙向的傳輸時(shí)間相等。如果在兩個(gè)不相關(guān)方向上同時(shí)測(cè)量風(fēng)速，就可以通過(guò)三角學(xué)合成計(jì)算出風(fēng)速以及風(fēng)向。依此原理，超聲波風(fēng)速風(fēng)向記錄儀可僅僅使用三個(gè)探頭即可確定平面中的風(fēng)速風(fēng)向。