[發(fā)明專利]一種三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011126573.0
• 申請(qǐng)日: 2020-10-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112255429B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李新波;王曉玉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P5/24
• 分類號(hào): G01P5/24;G01P13/02;G01D21/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 張夢(mèng)澤

本發(fā)明涉及一種三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量方法及系統(tǒng)，涉及測(cè)風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括：根據(jù)風(fēng)速在發(fā)射陣列與反射物連線的分量和圓弧的半徑確定發(fā)射陣列的發(fā)射陣列流型和接收陣列的接收陣列流型；根據(jù)發(fā)射陣列流型和接收陣列流型確定接收陣列信號(hào)；根據(jù)接收陣列信號(hào)，利用匹配濾波器、列堆棧處理和MUSIC算法得到風(fēng)速矢量；根據(jù)風(fēng)速矢量和風(fēng)參數(shù)在空間直角坐標(biāo)系的矢量合成關(guān)系，確定三維空間中的風(fēng)參數(shù)。本發(fā)明在接收陣列通過(guò)匹配濾波處理，分別提取發(fā)射陣列的每個(gè)發(fā)射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)，相當(dāng)于合成了虛擬陣元，增大了陣列孔徑，因而提高了三維風(fēng)參數(shù)的測(cè)量精度和抗干擾能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及測(cè)風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

三維空間中風(fēng)參數(shù)主要包括風(fēng)速、方位角和俯仰角。風(fēng)信號(hào)作為一種常見(jiàn)的物理量廣泛應(yīng)用在航空航天、氣象觀測(cè)、風(fēng)能系統(tǒng)和氣動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域，并且風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電和建筑等方面的重要參數(shù)。因此，對(duì)風(fēng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量具有非常重要的意義。目前，主要用于測(cè)風(fēng)的風(fēng)速計(jì)有機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向傳感器、超聲波式風(fēng)速風(fēng)向傳感器和熱電式風(fēng)速風(fēng)向傳感器。其中，機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向傳感器工作時(shí)存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)，其摩擦阻力影響測(cè)風(fēng)效果和使用壽命；超聲波式風(fēng)速風(fēng)向傳感器對(duì)信號(hào)在逆風(fēng)和順風(fēng)時(shí)傳播時(shí)間的測(cè)量精度直接影響風(fēng)參數(shù)的測(cè)量精度；熱電式風(fēng)速風(fēng)向傳感器價(jià)格昂貴而且不能適應(yīng)溫度的激烈變化。因此，如何提高風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量精度是測(cè)風(fēng)領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。然而現(xiàn)有基于陣列信號(hào)處理理論的測(cè)風(fēng)方法在低信噪比下，對(duì)風(fēng)參數(shù)的測(cè)量精度較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量方法及系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有測(cè)風(fēng)方法測(cè)量精度差的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量方法，應(yīng)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(biāo)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(cè)量風(fēng)參數(shù)在xoy平面的風(fēng)速矢量，所述第二子陣用于測(cè)量所述風(fēng)參數(shù)在yoz平面的風(fēng)速矢量；

所述第一子陣和所述第二子陣均包括發(fā)射陣列和接收陣列；所述發(fā)射陣列包括N個(gè)發(fā)射超聲波傳感器，所述接收陣列包括N個(gè)接收超聲波傳感器；

所述發(fā)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(fā)射陣列與所述接收陣列以反射物為中心中心對(duì)稱；所述發(fā)射超聲波傳感器用于發(fā)射相互正交的超聲波信號(hào)；所述發(fā)射超聲波傳感器包括參考發(fā)射超聲波傳感器和非參考發(fā)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(fā)射陣列中任意兩個(gè)相鄰發(fā)射超聲波傳感器之間的夾角相等；

所述三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量方法包括：

根據(jù)風(fēng)速在所述發(fā)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(fā)射陣列的發(fā)射陣列流型和所述接收陣列的接收陣列流型；

根據(jù)所述發(fā)射陣列的發(fā)射信號(hào)、所述發(fā)射陣列流型和所述接收陣列流型確定接收陣列信號(hào)；

根據(jù)所述接收陣列信號(hào)，利用匹配濾波器和列堆棧處理，得到觀測(cè)數(shù)據(jù)矩陣；

根據(jù)所述觀測(cè)數(shù)據(jù)矩陣，利用MUSIC算法得到所述xoy平面的風(fēng)速矢量和所述yoz平面的風(fēng)速矢量；

根據(jù)所述xoy平面的風(fēng)速矢量和所述yoz平面的風(fēng)速矢量，以及風(fēng)參數(shù)在所述空間直角坐標(biāo)系的矢量合成關(guān)系，確定三維空間中的風(fēng)參數(shù)。

可選的，所述根據(jù)風(fēng)速在所述發(fā)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(fā)射陣列的發(fā)射陣列流型和所述接收陣列的接收陣列流型，具體包括：