[發明專利]基于多重信號分類算法的三維風速風向測量方法

有效

• 申請號: 201811305927.0
• 申請日: 2018-11-05
• 公開（公告）號: CN109188019B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 滕婧;馬卞;朱慧嫻;周蓉;琚赟
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01P13/04
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發明提出了一種基于多重信號分類算法的三維風速風向測量方法，將超聲波傳感器按照一定的方式排列，并將三維空間中風的速度、俯仰角和方位角的信息建立適當的數學關系，計算各個傳感器接收到信息時的時延信息，利用多重信號分類算法將傳感器陣列所接收到信息數據的協方差矩陣進行子空間分類，并通過計算譜函數及搜索譜峰值，得到關于風的速度大小、方位角和俯仰角的信息，從而準確測量出三維空間內的風。本發明不依賴實際信號到達各傳感器在順風和逆風情況下的時間差，而是利用風矢量與各傳感器之間的數學關系來計算發射信號到達各接收傳感器的時延。該方法實現簡單，無需進行計時，受人為和環境因素較少。

技術領域

本發明屬于風速風向測量領域，具體涉及一種基于多重信號分類算法的三維風速風向測量方法。

背景技術

目前，對于風速風向的測量，主要存在的測量儀器有基于散熱原理的風速計、杯式風速計和超聲波風速風向儀等。其中，超聲波風速風向儀具有可靠性、準確性高，損耗低，使用壽命長，抗干擾能力強等優點，在實際中應用最為廣泛。

測量風速最常用的方法是飛行時間法(Time of Flight,TOF)，所依據的原理是當傳播距離確定時，風速和飛行時間成反比例關系。然而在使用超聲波風速風向儀進行測量時，超聲波在空氣中的傳播速度會和風向上的氣流速度相疊加，若超聲波的傳播方向和風向相同，則超聲波傳播速度加快；反之，則傳播速度減慢。所以同一風速可能對應不同的測量結果。因此，本發明結合風速矢量分解和TOF進行風速測量。

對于風向的測量，通常采用基于陣列信號處理的算法估計波達方向(Direction-of-arrival,DOA)，將超聲波傳感器陣列與陣列信號處理算法相結合，由空間中按照一定方式排列的超聲波傳感器陣列接收測量數據，利用陣列信號處理算法中的MUSIC算法對這些測量數據進行相關處理，估計和提取待測空間目標信號的來波方向，從而得到風的俯仰角和方位角等信息。

事實上，自然風可以被看作是三維矢量，除了有東、西、南、北方向和速度大小外，還具有垂直分量。準確地測量風的三維信息，對于實際的生產具有深遠的指導意義。例如在3D空間預覽風力信息可以為風力發電機組角度調節提供指導性信息，有助于最大限度地利用風能等。目前在實際應用中，往往將風視為二維矢量，僅測量風的方位角和風速或者僅測量風的俯仰角和方位角，而忽略風的垂直分量或速度分量。

發明內容

本發明針對上述問題，將超聲波傳感器按照一定的方式排列，并將三維空間中風的速度、俯仰角和方位角的信息建立適當的數學關系，計算各個傳感器接收到信息時的時延信息，利用多重信號分類(Multiple Signal classification，MUSIC)算法將傳感器陣列所接收到信息數據的協方差矩陣進行子空間分類，并通過計算譜函數及搜索譜峰值，可以得到關于風的速度大小、方位角和俯仰角的信息，從而準確測量出三維空間內的風。

一種基于多重信號分類算法的三維風速風向測量方法，包括：

利用超聲波傳感器陣列發射和接收信號；

對接收到的信號進行采樣獲得接收信息，并計算超聲波信號的傳播時延；

計算接收信息的協方差矩陣并進行子空間分解；

利用噪聲子空間計算譜函數，搜索譜函數峰值，得到對應的三維空間內風的速度、方位角信息；

利用所得的速度和方位角信息再次求譜函數，然后通過譜峰搜索得到俯仰角信息。

進一步，超聲波傳感器陣列包括一個發射超聲波傳感器和五個接收超聲波傳感器。

進一步，超聲波傳感器位于同一個水平面上，所述接收超聲波傳感器均勻排列在以發射超聲波傳感器為圓心、半徑為R的1/4圓弧上，每兩個相鄰接收超聲波傳感器之間相隔角度為22.5°；其中一個接收超聲波傳感器位于所述發射超聲波傳感器X軸正向方向。