[發明專利]一種三維風參數測量方法及系統

有效

• 申請號: 202011126573.0
• 申請日: 2020-10-20
• 公開（公告）號: CN112255429B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發明（設計）人: 李新波;王曉玉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01P13/02;G01D21/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 張夢澤

1.一種三維風參數測量方法，其特征在于，應用于一種超聲波陣列，所述超聲波陣列包括：位于空間直角坐標系xoy平面的第一子陣和位于yoz平面的第二子陣；所述第一子陣用于測量風參數在xoy平面的風速矢量，所述第二子陣用于測量所述風參數在yoz平面的風速矢量；

所述第一子陣和所述第二子陣均包括發射陣列和接收陣列；所述發射陣列包括N個發射超聲波傳感器，所述接收陣列包括N個接收超聲波傳感器；

所述發射陣列與所述接收陣列均位于以反射物為圓心，半徑為R的圓弧上，且所述發射陣列與所述接收陣列以反射物為中心中心對稱；所述發射超聲波傳感器用于發射相互正交的超聲波信號；所述發射超聲波傳感器包括參考發射超聲波傳感器和非參考發射超聲波傳感器；所述接收超聲波傳感器包括參考接收超聲波傳感器和非參考接收超聲波傳感器；

所述發射陣列中任意兩個相鄰發射超聲波傳感器之間的夾角相等；

所述三維風參數測量方法包括：

根據風速在所述發射超聲波傳感器與所述反射物連線的分量和所述圓弧的半徑確定所述發射陣列的發射陣列流型和所述接收陣列的接收陣列流型；

根據所述發射陣列的發射信號、所述發射陣列流型和所述接收陣列流型確定接收陣列信號；

根據所述接收陣列信號，利用匹配濾波器和列堆棧處理，得到觀測數據矩陣；

根據所述觀測數據矩陣，利用MUSIC算法得到所述xoy平面的風速矢量和所述yoz平面的風速矢量；

根據所述xoy平面的風速矢量和所述yoz平面的風速矢量，以及風參數在所述空間直角坐標系的矢量合成關系，確定三維空間中的風參數。

2.根據權利要求1所述的三維風參數測量方法，其特征在于，所述根據風速在所述發射超聲波傳感器與所述反射物連線的分量和所述圓弧的半徑確定所述發射陣列的發射陣列流型和所述接收陣列的接收陣列流型，具體包括：

利用所述風速在所述發射超聲波傳感器與所述反射物連線的分量和所述圓弧的半徑，通過公式確定所述發射超聲波傳感器的發射信號到達所述反射物的時間；式中，t_p表示第p個所述發射超聲波傳感器的發射信號到達所述反射物的時間，R表示圓弧的半徑，c表示聲速；V_p表示風速在第p個所述發射超聲波傳感器與所述反射物連線的分量，p＝1,2,...,N，V_p＝V'cos(θ'+i_pα)，V' 表示風參數在xoy平面或yoz平面的風速值，V' ＝V_x時表示風參數在xoy平面的風速值，V' ＝V_z時表示風參數在yoz平面的風速值；θ' 表示風參數在xoy平面或yoz平面的方位角，θ' ＝θ_x時表示風參數在xoy平面的方位角，θ' ＝θ_z時表示風參數在yoz平面的方位角，i_p表示中間參數；α表示相鄰兩個所述發射超聲波傳感器分別與反射物連線之間的夾角；

利用所述發射超聲波傳感器的發射信號到達所述反射物的時間，通過公式τ_p＝t_p-t₁，確定時間延遲；τ_p表示時間延遲，t₁表示所述參考發射超聲波傳感器的發射信號到達所述反射物的時間，所述時間延遲為所述發射超聲波傳感器的發射信號到達所述反射物的時間與所述參考發射超聲波傳感器的發射信號到達所述反射物的時間差；

利用所述時間延遲確定所述發射陣列的發射陣列流型；所述發射陣列的發射陣列流型a(θ',V')為：

式中，j表示虛數單位，π表示圓周率，f表示發射信號頻率；

根據所述發射陣列的發射陣列流型a(θ',V')，所述參考發射超聲波傳感器與所述參考接收超聲波傳感器關于所述反射物對稱以及所述發射陣列與所述接收陣列關于所述反射物對稱，確定所述接收陣列的接收陣列流型b(θ',V')＝a(θ',V')。