本发明涉及一种风速和风向测量领域，尤其涉及一种基于皮托管阵列阵列的三维风向和风速的测量方法。
背景技术：
1、风是一种自然现象，由无数时空上的微小脉动叠加而成，也是大尺度气流的矢量表示，主要包括风速和风向这两个要素。在多个领域，如能源电力、气象和航运等，准确测量风的重要性逐渐凸显。当前的风速风向测量装置多以一维定向(如皮托管)或二维水平风速(如旋转杯)的测量为主，缺乏对三维风速风向信息获取的技术和装置。对风矢量信息的测量将极大地拓展与气流场相关的研究能力，例如能源电力行业中，导线所受到的三维风速风向，是研究导线风偏、舞动及其覆冰形成机理中的重要因素。
2、近年来，基于皮托管原理的风参数测量技术不断进步，相较于其他测风方法，如机械式、热敏式和激光多普勒式等，它的优势在于结构简单、制造便捷、成本低、适用范围广、在高风速下测量精度高且分辨率较佳，这使得皮托管技术备受关注。然而，基于皮托管原理的风向测量方法仅能获得定向(一维)风速信息，无法测量方向多变的自然风。并且皮托管风速测量一般用于管道等风向固定的测量场景，其基于动静压力差计算的测量原理使其无法单独获取风向信息。而旋转杯的机械式风速测量技术的动态响应能力差，难以捕捉到风场的瞬时和暂态的高频脉动变化，难以满足对于风动态特性(脉动风)测量的需求。
3、因此，为解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术手段。
技术实现思路
1、有鉴于此，为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于皮托管阵列阵列的三维风向和风速的测量方法，包括以下步骤：
2、s1.制作皮托管阵列，所述皮托管阵列包括3根水平皮托管和2根竖直皮托管；
3、所述3根水平皮托管的一端与所述2根竖直皮托管的一端均连通于同一点；
4、所述3根水平皮托管位于同一平面且相邻皮托管间的夹角相等；
5、所述2根竖直皮托管的轴线均垂直于所述3根水平皮托管形成的平面且所述2根竖直皮托管的轴线共线；
6、s2.采用皮托管阵列测量动态风压值，得到各个皮托管处的动态风压值；
7、s3.根据水平皮托管测得的最大动态风压值和第二大动态风压值，以及竖直皮托管测得的最大动态风压值，计算风速在水平皮托管形成的水平面上的投影与皮托管i之间的夹角β大小、风向与皮托管k之间的夹角α大小和风速的实际动态压力值p；
8、所述皮托管i为水平方向上测量到最大动态风压值的皮托管；
9、所述皮托管k为竖直方向上测量到最大动态风压值的皮托管；
10、s4.根据夹角α和夹角β，确定目标区域环境风的风向；
11、s5.根据风速的实际动态压力值p，计算目标区域环境风的风速v。
12、进一步，步骤s3中，通过如下方法计算夹角α、夹角β和风速的实际动态压力值p：
13、oh,max,i＝pcosαcos(β+(bi-1)*120°) (3.1)
14、
15、pe,max,k＝psinα (3.3)
16、其中，ph,max,i表示水平方向上的最大动态风压值，ph,max,j表示水平方向上的第二大动态风压值，pe,max,k表示竖直方向上的最大动态风压值，h、j和k均表示皮托管，h表示水平方向，e表示竖直方向，bi和bj分别表示第i个皮托管和第j个皮托管的编号；
17、其中，所述3根水平皮托管中，以指向世界坐标系下的水平正北方向的水平皮托管为皮托管ⅰ，并以皮托管ⅰ为起点，顺时针对水平皮托管进行编号，依次为皮托管ⅱ和皮托管ⅲ；
18、所述2根竖直皮托管中，以在皮托管ⅰ-ⅲ形成的水平面的上方的竖直皮托管为皮托管ⅳ，以在皮托管ⅰ-ⅲ形成的水平面的上方的竖直皮托管为皮托管ⅴ；
19、联立公式(3.1)、(3.2)和(3.3)，解出夹角α、夹角β和风速的实际动态压力值p。
20、进一步，步骤s4中，风向根据环境风与竖直方向的夹角α1大小和环境风与世界坐标系下的水平正北方向的夹角β1大小确定。
21、进一步，当皮托管k的编号为ⅳ时，夹角α1等于夹角α；
22、当皮托管k的编号为ⅴ时，夹角α1等于夹角-α。
23、进一步，夹角β1通过如下公式计算：
24、
25、其中，β表示风速在水平面上的投影与皮托管i之间的夹角大小，bi和bj分别表示第i个皮托管和第j个皮托管的编号。
26、进一步，步骤s5中，通过如下公式计算风速v；
27、
28、其中，ρ表示目标区域所处环境的空气密度。
29、本发明的有益效果：本发明采用球形皮托管阵列，能够实时测量多个方向上的风速和风向，反映出风场复杂的变化情况，并且提供全面准确的风矢量数据，提高风场数据的时空分辨率。
1.一种基于皮托管阵列阵列的三维风向和风速的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于皮托管阵列阵列的三维风向和风速的测量方法，其特征在于：步骤s3中，通过如下方法计算夹角α、夹角β和风速的实际动态压力值p：
3.根据权利要求2所述基于皮托管阵列阵列的三维风向和风速的测量方法，其特征在于：步骤s4中，风向根据环境风与竖直方向的夹角α1大小和环境风与世界坐标系下的水平正北方向的夹角β1大小确定。
4.根据权利要求3所述基于皮托管阵列阵列的三维风向和风速的测量方法，其特征在于：当皮托管k的编号为ⅳ时，夹角α1等于夹角α；
5.根据权利要求3所述基于皮托管阵列阵列的三维风向和风速的测量方法，其特征在于：夹角β1通过如下公式计算：
6.根据权利要求2所述基于皮托管阵列阵列的三维风向和风速的测量方法，其特征在于：步骤s5中，通过如下公式计算风速v；
