摘要

为客观评价成都虹岳HY-WDS2型与英国某知名公司WINDSONIC型超声波风速风向仪在微风段与高风段的测风性能，本文在标准风洞中参照ISO 16622:2002开展对比试验，在0.1~0.6m/s微风段6个测点（共762次采样）与5~55m/s高风段7个测点（共783次采样）上，以平均绝对误差（MAE）、平均相对误差（MRE）、重复性标准差、线性回归及t检验等指标对两台设备的测量性能进行系统对比。结果表明：微风段两设备精度相当，HY-WDS2整体MAE为0.0077m/s（MRE 2.69%），略优于WINDSONIC的0.0093m/s（MRE 3.56%），其中HY-WDS2在0.1、0.2、0.6m/s测点误差更小，WINDSONIC在0.4、0.5m/s测点略优，0.3m/s测点两者一致；高风段5~40m/s区间HY-WDS2的MRE（0.238%~0.433%）全面低于WINDSONIC（0.316%~0.656%），但50~55m/s区间对比反转，WINDSONIC误差与重复性更优，HY-WDS2重复性标准差达WINDSONIC的1.6~1.8倍；全量程（0.1~55m/s）两设备线性回归判定系数R²均大于0.9998，线性响应良好；两台设备全部测点的平均误差均满足GB/T 35221—2017最大允许误差要求（HY-WDS2在55m/s有2个样本略超限值）。综合来看，两设备在各自适用工况下均具有较高测风精度，可为风洞验收与气象观测设备选型提供参考。

关键词：超声波风速风向仪；风洞试验；时差法；微风段；高风段；测量精度；误差分析

1 引言

风速风向是气象观测、民航机场、风电场、桥梁健康监测与工业通风等领域最基本的测量要素之一。我国《地面气象观测规范 风向和风速》（GB/T 35227—2017）对风速观测的精度、分辨力与记录方式提出了明确要求，风速记录需精确到0.1m/s[1]。超声波风速风向仪基于声波在运动空气中的传播特性实现无转动部件测风，其基本原理是时差法：超声波换能器沿固定声路顺、逆风方向传播，顺风传播时间缩短、逆风传播时间延长，二者时间差与风速分量近似线性相关，结合多组声路解算即可得到风速矢量与风向[2-3]。与传统机械式风速仪相比，超声波风速风向仪具有无转动部件、响应快、启动风速低、免维护等优点，正逐步应用于各类自动气象站与环境监测系统。

目前国内外对超声测风仪原理与硬件设计的研究较多，但基于同一标准风洞、同一试验流程对成都虹岳与英国进口机型在微风段（0.1~0.6m/s）与高风段（5~55m/s）进行系统横向对比的公开实测数据仍然有限。不同厂家产品在换能器布局、声路长度、信号处理与平均算法上的差异，可能造成低风速灵敏度与高风速线性度的性能分化。为此，本文以成都虹岳HY-WDS2型与英国某知名公司WINDSONIC型二维超声波风速风向仪为对象，在标准风洞中开展微风段与高风段对比试验，定量评估两台设备在低风速与高风速区间的误差水平、重复性与线性度，为其工程选型、验收与校准提供试验依据。

2 试验设备与方法

2.1 试验设备与试验条件

试验对象为两台基于时差法的二维超声波风速风向仪：HY-WDS2型（成都虹岳科技有限公司）与WINDSONIC型（英国某公司产品），二者均采用多组超声波换能器对形成不同方向声路，通过对顺、逆风传播时差的高精度测量解算水平风速与360°风向[2-3]。试验在标准风洞中进行，以风洞流场作为标准风速参考。

试验分为两个风速段：微风段设定0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6m/s共6个测点，每测点对两台设备分别连续采样，样本量分别为146、126、123、122、122、123次，共762次；高风段设定5、10、20、30、40、50、55m/s共7个测点，样本量分别为122、105、105、104、106、121、120次，共783次。

2.2 试验方法

试验组织参照ISO 16622:2002中平均风测量的风洞试验方法[4]：在每个测试风速点，使风洞风速稳定至设定值并保持足够时间，记录被测仪器在采样周期内的逐次输出；同一风速点进行多次重复测量，以风洞标准风速为参考，计算测量值的均值、标准差与误差，评估仪器的准确度与重复性。

                         HY-WDS2超声波风速仪                                             WINDSONIC

2.3 评价指标与统计方法

设某一测点标准风速为V0，该设备n次测量值为Vi（i=1,2,…,n），定义如下评价指标：

（1）平均绝对误差（MAE）与平均相对误差（MRE）：

MAE=（1/n）∑|Vi−V0|，MRE=（1/n）∑|Vi−V0|/V0×100%。

（2）重复性：以测量值的样本标准差s=√（∑（Vi−V̄）²/（n−1））表征，反映仪器在同一风况下输出的一致性。

（3）线性度：以最小二乘回归V̄=a·V0+b描述测量均值与标准风速的关系，采用判定系数R²与均方根误差（RMSE）评价线性拟合优度。

（4）显著性检验：微风段与高风段均为逐样本配对观测，对两台设备各测点的绝对误差做配对t检验，并对各设备测量值做单样本t检验考察系统偏差是否显著，显著性水平取α=0.05。

3 结果与分析

3.1 微风段（0.1~0.6m/s）对比结果

微风段各测点的统计结果如表1所示。

表1 微风段HY-WDS2与WINDSONIC测风性能统计

由表1可见，微风段两台设备的测量误差整体均处于较低水平。就整体而言，HY-WDS2平均绝对误差0.0077m/s、平均相对误差2.69%，WINDSONIC平均绝对误差0.0093m/s、平均相对误差3.56%，HY-WDS2整体精度略优。分测点看：在0.1、0.2、0.6m/s测点，HY-WDS2的MAE与重复性标准差均小于WINDSONIC（如0.2m/s测点HY-WDS2的MAE为0.0010m/s，仅为WINDSONIC的18%）；在0.4、0.5m/s测点，WINDSONIC略优；0.3m/s测点两者误差基本一致。图1给出了两设备MAE与MRE随风速变化的柱状对比。

图1 微风段两设备平均绝对误差与平均相对误差随风速变化柱状对比

对两台设备逐样本绝对误差的配对t检验显示，整体t=−3.74，p=1.96×10⁻⁴，表明HY-WDS2在微风段整体的测量误差显著小于WINDSONIC。分测点看，0.2、0.6m/s测点HY-WDS2误差显著更小（p<0.001），0.4、0.5m/s测点WINDSONIC误差显著更小（p<0.01），0.3m/s测点无显著差异（p=0.70），0.1m/s测点HY-WDS2略优（p=0.047）。

微风段线性回归结果为：HY-WDS2拟合式V̄=1.0208V0−0.0024，R²=0.9984，RMSE=0.0070m/s；WINDSONIC拟合式V̄=1.0095V0+0.0012，R²=0.9990，RMSE=0.0054m/s。两者斜率均接近1，但HY-WDS2在0.3、0.5m/s测点存在约0.013~0.017m/s的正偏差，表明其在微风段存在轻微的非线性响应。

3.2 高风段（5~55m/s）对比结果

高风段各测点统计结果如表2所示。

表2 高风段HY-WDS2与WINDSONIC测风性能统计

由表2可见，高风段两台设备的测量误差整体均处于很低水平。在5~40m/s区间，HY-WDS2的平均相对误差为0.238%~0.433%，各测点均低于WINDSONIC的0.316%~0.656%，其中5m/s测点优势最大（0.433%对0.656%）；同时HY-WDS2的重复性标准差在各测点也略小于WINDSONIC。在50~55m/s区间性能对比发生反转：WINDSONIC的平均相对误差为0.500%~0.583%，明显小于HY-WDS2的0.835%~0.932%，且HY-WDS2的重复性标准差（0.489、0.685m/s）达到WINDSONIC（0.304、0.392m/s）的1.6~1.8倍，离散度快速恶化。图2给出了两设备MRE与重复性标准差随风速的变化曲线。

图2 高风段两设备平均相对误差与重复性标准差随风速变化曲线对比

基于逐样本的检验显示：Welch两样本t检验表明，5、20、30m/s测点两台设备均值差异显著（p<0.001），10、40、50、55m/s测点差异不显著（p>0.05）；单样本t检验显示，多数测点两设备均值与标准风速存在统计上显著的微小偏差（最大偏差0.13m/s，对应相对偏差0.26%），属工程可接受范围。

以各测点均值为样本做线性回归：HY-WDS2拟合式V̄=1.0018V0−0.0200，R²=0.999996；WINDSONIC拟合式V̄=1.0005V0−0.0060，R²=0.999993。两者斜率均接近1、截距接近0，在高风段均表现出极佳的线性响应。

3.3 全量程线性度

将微风段与高风段全部逐样本数据合并，对全量程（0.1~55m/s）做线性回归：HY-WDS2拟合式V̄=1.0013V0−0.0011，R²=0.999854，RMSE=0.2407m/s；WINDSONIC拟合式V̄=1.0002V0+0.0018，R²=0.999940，RMSE=0.1540m/s。以各测点均值为样本回归，HY-WDS2与WINDSONIC的R²分别达0.999998与0.999997，RMSE仅为0.0281与0.0348m/s。全量程散点与回归直线如图3所示，两设备测量数据在0.1~55m/s全范围内紧密贴合理想线，线性度良好；图4给出了两设备平均相对误差随标准风速的全量程变化，可见微风段相对误差较大（主要源于低速端绝对误差占比较高），高风段相对误差保持在1%以内。

图3 两设备全量程测量值对标准风速散点与回归直线

图4 两设备平均相对误差随标准风速的全量程变化曲线

4 讨论

4.1 微风段性能特征分析

微风段试验结果显示，HY-WDS2整体精度略优于WINDSONIC，且两设备在低速端均表现出一定的性能特征差异：其一，HY-WDS2在0.1、0.2m/s测点误差与离散度更小，说明其在接近启动风速的低速端具有更好的分辨力与输出一致性；其二，两设备在0.3、0.5m/s附近均存在约0.01~0.017m/s的系统性正偏差，可能源于超声换能器在极低速下的信号处理与零位漂移；其三，0.1m/s测点WINDSONIC个别样本出现较大正偏差（最大+0.09m/s），而HY-WDS2误差范围更为集中（−0.04~0 m/s）。超声波测风仪在低风速下的误差主要来源于声路信噪比下降、湍流脉动干扰以及时差解算的量化误差，不同信号处理算法对低速端性能的影响值得进一步研究。

4.2 高风段性能分化

高风段最值得注意的结果是40~55m/s区间性能对比发生反转：HY-WDS2在5~40m/s区间误差全面优于WINDSONIC，但在50~55m/s测点误差与离散度快速增大，重复性标准差达WINDSONIC的1.6~1.8倍，并在55m/s测点出现2个超出GB/T 35221—2017最大允许误差限值的样本。高风速下超声测风误差的主要来源包括强湍流引起的声路畸变、换能器表面风噪、信号衰减与多径效应等，设备在高风速段的信号处理与滤波策略差异可能是造成性能分化的主因。对高风速工况（如台风观测、强风监测）的设备选型，应重点考察仪器在50m/s以上的稳定性。

4.3 与标准限值的对比

我国《地面气象观测规范 总则》（GB/T 35221—2017）规定自动气象站风速传感器测量范围0~60 m/s、分辨力0.1m/s，最大允许误差为±(0.5+0.03v)m/s（基准气候观测站为±(0.3+0.03v)m/s）[5]。按此限值核算：微风段两设备各测点平均绝对误差仅为限值的0.2%~3.3%；高风段5~40m/s区间两设备平均绝对误差为限值的3.3%~8.6%；50、55m/s测点HY-WDS2平均绝对误差升至限值的20.9%与23.8%，WINDSONIC为12.5%与14.9%。逐样本检查显示，除HY-WDS2在55m/s测点有2个样本（占1.7%）超过最大允许误差外，两设备全部样本均满足限值要求。总体而言，两台设备在微风段与高风段的测风性能均满足国家气象观测规范要求。

4.4 适用工况与试验局限

综合微风段与高风段结果，两台设备的适用工况存在互补性：HY-WDS2在0.1~0.2m/s微风段与5~40m/s常规风段误差更小、重复性更好，适合微风环境监测与常规气象观测；WINDSONIC在40 m/s以上强风段更稳定，且全量程逐样本离散度更小，更适合强风场景（如台风观测、机场风切变监测）。需要说明的是，本文试验仅针对单一风洞流场条件，未覆盖温度、湿度、降水、阵风等复杂环境因素对测风性能的影响；仪器的动态响应、风向测量精度与长期稳定性也需结合现场对比试验进一步评估。

5 结论

（1）微风段（0.1~0.6m/s）：HY-WDS2整体平均绝对误差0.0077m/s、平均相对误差2.69%，略优于WINDSONIC的0.0093m/s与3.56%（配对t检验整体p<0.001）；HY-WDS2在0.1、0.2、0.6m/s测点精度更高，WINDSONIC在0.4、0.5m/s测点略优，0.3m/s测点两者相当。

（2）高风段（5~55m/s）：5~40m/s区间HY-WDS2平均相对误差（0.238%~0.433%）全面低于WINDSONIC（0.316%~0.656%）；50~55m/s区间WINDSONIC误差与重复性更优（MRE 0.500%~0.583%），HY-WDS2离散度增大至WINDSONIC的1.6~1.8倍。

（3）全量程（0.1~55m/s）：两设备线性回归判定系数R²均大于0.9998（以测点均值回归时均大于0.99999），斜率接近1，均保持良好的线性响应。

（4）两台设备在全部测点的平均误差均满足GB/T 35221—2017风速传感器最大允许误差要求（HY-WDS2在55m/s有2个样本略超限值）。工程选型建议：微风与5~40m/s常规风段HY-WDS2精度略优，50m/s以上强风工况WINDSONIC更稳定；风洞验收与批量质量监控中应同时关注平均误差与高风速端的离散度指标。

参考文献

[1] 中国气象局. 地面气象观测规范 风向和风速: GB/T 35227—2017[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017.

[2] 刘丽丽. 煤矿用超声波式风速风向传感器设计[J]. 工矿自动化, 2014, 40(9): 103-106.

[3] 陈成. 一种信号增益自适应调节的超声波风速风向仪[J]. 集成电路与嵌入式系统, 2026(6): 75-81.

[4] ISO 16622:2002. Meteorology — Sonic anemometers/thermometers — Acceptance test methods for mean wind measurements[S]. Geneva: ISO, 2002.

[5] 中国气象局. 地面气象观测规范 总则: GB/T 35221—2017[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017.