一种三维风参数测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种三维风参数测量方法及系统，涉及测风技术领域。该方法包括：根据风速在发射阵列与反射物连线的分量和圆弧的半径确定发射阵列的发射阵列流型和接收阵列的接收阵列流型；根据发射阵列流型和接收阵列流型确定接收阵列信号；根据接收阵列信号，利用匹配滤波器、列堆栈处理和MUSIC算法得到风速矢量；根据风速矢量和风参数在空间直角坐标系的矢量合成关系，确定三维空间中的风参数。本发明专利技术在接收阵列通过匹配滤波处理，分别提取发射阵列的每个发射信号所对应的接收信号，相当于合成了虚拟阵元，增大了阵列孔径，因而提高了三维风参数的测量精度和抗干扰能力。维风参数的测量精度和抗干扰能力。维风参数的测量精度和抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
一种三维风参数测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及测风
，特别是涉及一种三维风参数测量方法及系统。

技术介绍

[0002]三维空间中风参数主要包括风速、方位角和俯仰角。风信号作为一种常见的物理量广泛应用在航空航天、气象观测、风能系统和气动测试等领域，并且风速是风力发电和建筑等方面的重要参数。因此，对风参数的准确测量具有非常重要的意义。目前，主要用于测风的风速计有机械式风速风向传感器、超声波式风速风向传感器和热电式风速风向传感器。其中，机械式风速风向传感器工作时存在机械运动，其摩擦阻力影响测风效果和使用寿命；超声波式风速风向传感器对信号在逆风和顺风时传播时间的测量精度直接影响风参数的测量精度；热电式风速风向传感器价格昂贵而且不能适应温度的激烈变化。因此，如何提高风速风向的测量精度是测风领域急需解决的问题。然而现有基于阵列信号处理理论的测风方法在低信噪比下，对风参数的测量精度较差。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种三维风参数测量方法及系统，解决了现有测风方法测量精度差的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]一种三维风参数测量方法，应用于一种超声波阵列，所述超声波阵列包括：位于空间直角坐标系xoy平面的第一子阵和位于yoz平面的第二子阵；所述第一子阵用于测量风参数在xoy平面的风速矢量，所述第二子阵用于测量所述风参数在yoz平面的风速矢量；
[0006]所述第一子阵和所述第二子阵均包括发射阵列和接收阵列；所述发射阵列包括N个发射超声波传感器，所述接收阵列包括N个接收超声波传感器；
[0007]所述发射阵列与所述接收阵列均位于以反射物为圆心，半径为R的圆弧上，且所述发射阵列与所述接收阵列以反射物为中心中心对称；所述发射超声波传感器用于发射相互正交的超声波信号；所述发射超声波传感器包括参考发射超声波传感器和非参考发射超声波传感器；所述接收超声波传感器包括参考接收超声波传感器和非参考接收超声波传感器；
[0008]所述发射阵列中任意两个相邻发射超声波传感器之间的夹角相等；
[0009]所述三维风参数测量方法包括：
[0010]根据风速在所述发射超声波传感器与所述反射物连线的分量和所述圆弧的半径确定所述发射阵列的发射阵列流型和所述接收阵列的接收阵列流型；
[0011]根据所述发射阵列的发射信号、所述发射阵列流型和所述接收阵列流型确定接收阵列信号；
[0012]根据所述接收阵列信号，利用匹配滤波器和列堆栈处理，得到观测数据矩阵；
[0013]根据所述观测数据矩阵，利用MUSIC算法得到所述xoy平面的风速矢量和所述yoz
平面的风速矢量；
[0014]根据所述xoy平面的风速矢量和所述yoz平面的风速矢量，以及风参数在所述空间直角坐标系的矢量合成关系，确定三维空间中的风参数。
[0015]可选的，所述根据风速在所述发射超声波传感器与所述反射物连线的分量和所述圆弧的半径确定所述发射阵列的发射阵列流型和所述接收阵列的接收阵列流型，具体包括：
[0016]利用所述风速在所述发射超声波传感器与所述反射物连线的分量和所述圆弧的半径，通过公式确定所述发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间；式中，t
p
表示第p个所述发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间，R表示圆弧的半径，c表示声速；V
p
表示风速在第p个所述发射超声波传感器与所述反射物连线的分量，p＝1,2,...,N，V
p
＝V'cos(θ'+i
p
α)，V
’
表示风参数在xoy平面或yoz平面的风速值，V
’
＝V
x
时表示风参数在xoy平面的风速值，V
’
＝V
z
时表示风参数在yoz平面的风速值；θ
’
表示风参数在xoy平面或yoz平面的方位角，θ
’
＝θ
x
时表示风参数在xoy平面的方位角，θ
’
＝θ
z
时表示风参数在yoz平面的方位角，i
p
表示中间参数；α表示相邻两个所述发射超声波传感器分别与反射物连线之间的夹角；
[0017]利用所述发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间，通过公式τ
p
＝t
p-t1，确定时间延迟；τ
p
表示时间延迟，t1表示所述参考发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间，所述时间延迟为所述发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间与所述参考发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间差；
[0018]利用所述时间延迟确定所述发射阵列的发射阵列流型；所述发射阵列的发射阵列流型a(θ',V')为：
[0019][0020]式中，j表示虚数单位，π表示圆周率，f表示发射信号频率；
[0021]根据所述发射阵列的发射阵列流型a(θ',V')，所述参考发射超声波传感器与所述参考接收超声波传感器关于所述反射物对称以及所述发射阵列与所述接收阵列关于所述反射物对称，确定所述接收阵列的接收阵列流型b(θ',V')＝a(θ',V')。
[0022]可选的，所述根据所述发射阵列的发射信号、所述发射阵列流型和所述接收阵列流型确定接收阵列信号，具体包括：
[0023]利用所述发射阵列的发射信号和所述发射阵列流型，通过公式x＝ηa(θ',V')
T
S确定反射物回波x；
[0024]式中，η表示反射物反射信号的复幅度；a(θ',V')表示发射信号的导向矢量，即发射阵列流型；S表示发射信号，S＝[s1,s2,
…
,s
N
]，s
N
表示第N个发射超声波传感器的发射信号；
[0025]利用所述反射物回波和所述接收阵列流型，通过公式y＝b(θ',V')x+E确定接收阵
列信号y；
[0026]式中，b(θ',V')表示接收信号的导向矢量，即接收阵列流型；E表示复高斯噪声。
[0027]可选的，所述根据所述接收阵列信号，利用匹配滤波器和列堆栈处理，得到观测数据矩阵，具体包括：
[0028]根据所述接收阵列信号，利用匹配滤波器，确定第i个快拍数的匹配滤波输出；第i个快拍数的匹配滤波输出X
i
为：
[0029][0030]式中，L表示快拍数的总数，i＝1,2,...,L；y
i
(n)表示第i个快拍数的接收阵列信号；S
i
(n)表示第i个快拍数的发射信号；H表示共轭转置；n表示采样时间；
[0031]对所有快拍数的匹配滤波输出进行列堆栈处理，得到观测数据矩阵；所述观测数据矩阵Y为：Y＝[vec(X1),vec(X2),...,vec(X
L
)]；式中，vec(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维风参数测量方法，其特征在于，应用于一种超声波阵列，所述超声波阵列包括：位于空间直角坐标系xoy平面的第一子阵和位于yoz平面的第二子阵；所述第一子阵用于测量风参数在xoy平面的风速矢量，所述第二子阵用于测量所述风参数在yoz平面的风速矢量；所述第一子阵和所述第二子阵均包括发射阵列和接收阵列；所述发射阵列包括N个发射超声波传感器，所述接收阵列包括N个接收超声波传感器；所述发射阵列与所述接收阵列均位于以反射物为圆心，半径为R的圆弧上，且所述发射阵列与所述接收阵列以反射物为中心中心对称；所述发射超声波传感器用于发射相互正交的超声波信号；所述发射超声波传感器包括参考发射超声波传感器和非参考发射超声波传感器；所述接收超声波传感器包括参考接收超声波传感器和非参考接收超声波传感器；所述发射阵列中任意两个相邻发射超声波传感器之间的夹角相等；所述三维风参数测量方法包括：根据风速在所述发射超声波传感器与所述反射物连线的分量和所述圆弧的半径确定所述发射阵列的发射阵列流型和所述接收阵列的接收阵列流型；根据所述发射阵列的发射信号、所述发射阵列流型和所述接收阵列流型确定接收阵列信号；根据所述接收阵列信号，利用匹配滤波器和列堆栈处理，得到观测数据矩阵；根据所述观测数据矩阵，利用MUSIC算法得到所述xoy平面的风速矢量和所述yoz平面的风速矢量；根据所述xoy平面的风速矢量和所述yoz平面的风速矢量，以及风参数在所述空间直角坐标系的矢量合成关系，确定三维空间中的风参数。2.根据权利要求1所述的三维风参数测量方法，其特征在于，所述根据风速在所述发射超声波传感器与所述反射物连线的分量和所述圆弧的半径确定所述发射阵列的发射阵列流型和所述接收阵列的接收阵列流型，具体包括：利用所述风速在所述发射超声波传感器与所述反射物连线的分量和所述圆弧的半径，通过公式确定所述发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间；式中，t
p
表示第p个所述发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间，R表示圆弧的半径，c表示声速；V
p
表示风速在第p个所述发射超声波传感器与所述反射物连线的分量，p＝1,2,...,N，V
p
＝V'cos(θ'+i
p
α)，V
’
表示风参数在xoy平面或yoz平面的风速值，V
’
＝V
x
时表示风参数在xoy平面的风速值，V
’
＝V
z
时表示风参数在yoz平面的风速值；θ
’
表示风参数在xoy平面或yoz平面的方位角，θ
’
＝θ
x
时表示风参数在xoy平面的方位角，θ
’
＝θ
z
时表示风参数在yoz平面的方位角，i
p
表示中间参数；α表示相邻两个所述发射超声波传感器分别与反射物连线之间的夹角；利用所述发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间，通过公式τ
p
＝t
p-t1，确定时间延迟；τ
p
表示时间延迟，t1表示所述参考发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间，所述时间延迟为所述发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间与所述参考发射超声波传感器的发射信号到达所述反射物的时间差；
利用所述时间延迟确定所述发射阵列的发射阵列流型；所述发射阵列的发射阵列流型a(θ',V')为：式中，j表示虚数单位，π表示圆周率，f表示发射信号频率；根据所述发射阵列的发射阵列流型a(θ',V')，所述参考发射超声波传感器与所述参考接收超声波传感器关于所述反射物对称以及所述发射阵列与所述接收阵列关于所述反射物对称，确定所述接收阵列的接收阵列流型b(θ',V')＝a(θ',V')。3.根据权利要求2所述的三维风参数测量方法，其特征在于，所述根据所述发射阵列的发射信号、所述发射阵列流型和所述接收阵列流型确定接收阵列信号，具体包括：利用所述发射阵列的发射信号和所述发射阵列流型，通过公式x＝ηa(θ',V')
T
S确定反射物回波x；式中，η表示反射物反射信号的复幅度；a(θ',V')表示发射信号的导向矢量，即发射阵列流型；S表示发射信号，S＝[s1,s2,
…
,s
N
]，s
N
表示第N个发射超声波传感器的发射信号；利用所述反射物回波和所述接收阵列流型，通过公式y＝b(θ',V')x+E确定接收阵列信号y；式中，b(θ',V')表示接收信号的导向矢量，即接收阵列流型；E表示复高斯噪声。4.根据权利要求3所述的三维风参数测量方法，其特征在于，所述根据所述接收阵列信号，利用匹配滤波器和列堆栈处理，得到观测数据矩阵，具体包括：根据所述接收阵列信号，利用匹配滤波器，确定第i个快拍数的匹配滤波输出；第i个快拍数的匹配滤波输出X
i
为：式中，L表示快拍数的总数，i＝1,2,...,L；y
i
(n)表示第i个快拍数的接收阵列信号；S
i
(n)表示第i个快拍数的发射信号；H表示共轭转置；n表示采样时间；对所有快拍数的匹配滤波输出进行列堆栈处理，得到观测数据矩阵；所述观测数据矩阵Y为：Y＝[vec(X1),vec(X2),...,vec(X
L
)]；式中，vec()表示列堆栈处理。5.根据权利要求4所述的三维风参数测量方法，其特征在于，所述根据所述观测数据矩阵，利用MUSIC算法得到所述xoy平面的风速矢量和所述yoz平面的风速矢量，具体包括：利用所述观测数据矩阵确定所述接收阵列信号的协方差矩阵；所述协方差矩阵R为：R＝E(YY
H
)；式中，E()表示YY
H
的期望；对所述协方差矩阵进行特征值分解，得到噪声子空间；所述噪声子空间包括从大到小排列的所述协方差矩阵的后G-K个特征值对应的特征矢量；G表示所述协方差矩阵的特征值总数，K表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新波，王晓玉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：