[發(fā)明專利]基于多重信號(hào)分類算法的三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811305927.0
• 申請(qǐng)日: 2018-11-05
• 公開（公告）號(hào): CN109188019B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 滕婧;馬卞;朱慧嫻;周蓉;琚赟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P5/24
• 分類號(hào): G01P5/24;G01P13/04
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

1.一種基于多重信號(hào)分類算法的三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法，包括：

利用超聲波傳感器陣列發(fā)射和接收信號(hào)；所述超聲波傳感器陣列包括一個(gè)發(fā)射超聲波傳感器和五個(gè)接收超聲波傳感器；所述超聲波傳感器位于同一個(gè)水平面上，所述接收超聲波傳感器均勻排列在以發(fā)射超聲波傳感器為圓心、半徑為R的1/4圓弧上，每?jī)蓚€(gè)相鄰接收超聲波傳感器之間相隔角度為22.5°；其中一個(gè)接收超聲波傳感器位于所述發(fā)射超聲波傳感器X軸正向方向；

對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行采樣獲得接收信息，并計(jì)算超聲波信號(hào)的傳播時(shí)延；所述接收到的信號(hào)的向量A(θ,β,V)計(jì)算方法為：

其中，f發(fā)射超聲波傳感器發(fā)射的超聲波頻率；

τ_i為信號(hào)到達(dá)第i個(gè)傳感器的傳播時(shí)延，i＝1～5，則τ_i的表達(dá)式為：

式中v_i是三維空間內(nèi)的風(fēng)速V在發(fā)射超聲波傳感器與i個(gè)接收超聲波傳感器連線上的分量，v_i的表達(dá)式是：

其中β是三維空間中風(fēng)的俯仰角，θ是三維空間中風(fēng)的方位角，α是相鄰接收超聲波傳感器之間的夾角，即22.5°；

計(jì)算接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣并進(jìn)行子空間分解；所述接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣R_x的計(jì)算方法為：

R_x＝E(X(t)X^H(t))

其中，H表示共軛轉(zhuǎn)置；X(t)為接收信號(hào)矩陣,

X(t)＝[x₁(t),x₂(t),x₃(t),x₄(t),x₅(t)]^T

Т表示矩陣轉(zhuǎn)置；對(duì)上式中的數(shù)學(xué)期望使用平均值估計(jì)，則R_x的估計(jì)值可表示為：

接收信號(hào)受到噪聲的影響，因此接收信號(hào)協(xié)方差矩陣R_x又可以分解為信號(hào)子空間和噪聲子空間兩部分，即：

其中U_S代表信號(hào)子空間，U_N代表噪聲子空間，∑_S是信號(hào)特征值組成的對(duì)角陣，∑_N是噪聲特征值組成的對(duì)角陣；將接收信號(hào)協(xié)方差矩陣的估計(jì)值進(jìn)行特征分解，得到對(duì)應(yīng)的信號(hào)和噪聲子空間，即：

利用噪聲子空間計(jì)算譜函數(shù)，搜索譜函數(shù)峰值，得到對(duì)應(yīng)的三維空間內(nèi)風(fēng)的速度、方位角信息；MUSIC算法的譜估計(jì)公式為：

將β視為定值帶入A(θ,β,V)，變化θ和V，按上式計(jì)算譜函數(shù)，搜尋譜峰值得到實(shí)時(shí)的風(fēng)速V和方位角θ的值；

利用所得的速度和方位角信息再次求譜函數(shù)，然后通過譜峰搜索得到俯仰角信息，即將所得的風(fēng)速V和方位角θ的值視為定值重新帶入A(θ,β,V)中，變化β，重新計(jì)算譜函數(shù)，搜尋譜峰值得到實(shí)時(shí)的俯仰角β的值。