[發明專利]基于歸一化互相關時延測量的超聲波雪深測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202110134139.5
• 申請日: 2021-01-31
• 公開（公告）號: CN112945154B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 石屹然;曲思凝;張晗;齊金偉;張志偉;楊書偉;潘向陽;符麟
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01B17/00
• 分類號: G01B17/00;G01S17/48
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

1.一種基于歸一化互相關時延測量的超聲波雪深測量裝置，其特征在于：包括太陽能電池板、太陽能電池板調節電機、溫度補償模塊安裝塊、導軌上固定塊、可調限位塊、超聲波探頭、輔助限位柱、超聲波探頭安裝支架、聯軸器、旋轉底盤、溫度補償模塊、導向柱、絲杠、移動塊、絲杠電機、安裝底座、測雪板、導向套筒、平面軸承和旋轉電機，其中安裝底座與旋轉底盤之間采用平面軸承連接，旋轉電機下方與安裝底座固定連接、上方電機軸與旋轉底盤連接，絲杠電機固定連接在旋轉底盤內，絲杠與絲杠電機采用聯軸器連接，導向柱下端與旋轉底盤固定連接、上端與導軌上固定塊固定連接，移動塊與絲杠螺紋連接、并且通過導向套筒與導向柱滑動連接，超聲波探頭安裝支架與移動塊轉動連接，超聲波探頭與超聲波探頭安裝支架前端固定連接，可調限位塊安裝在導向柱上，輔助限位柱與可調限位塊轉動連接，移動塊向上或向下移動，移動塊帶動超聲波探頭安裝支架及超聲波探頭移動，超聲波探頭安裝支架繞輔助限位柱旋轉，移動塊移動到上限位時，超聲波探頭安裝支架整體變為與地面水平，從而便于進行下一步測量，測雪板套接在安裝底座的外部，太陽能電池板調節電機、溫度補償模塊分別安裝在溫度補償模塊安裝塊上，該溫度補償模塊安裝塊通過螺栓連接在導軌上固定塊上，太陽能電池板調節電機通過電機軸與太陽能電池板轉動連接。

2.采用如權利要求1所述的一種基于歸一化互相關時延測量的超聲波雪深測量裝置的測量方法，其特征在于：包括下列步驟：

步驟一、將基于歸一化互相關時延測量的超聲波雪深測量裝置上電后，對各模塊進行初始化；

步驟二、溫度補償模塊讀取當前測量區域的溫度，結合超聲波在空氣中的傳播速度與空氣的關系，修正超聲波在空氣中的傳播速度；

步驟三、超聲波探頭發射超聲波，超聲波在空氣中傳播，接收遇到積雪表面反射回來回波信號，采用聲波回波信號模型與歸一化互相關時延估計算法相結合對時間延遲T進行計算，實現對接收信號數字量進行時延估計；

步驟四、對雪深測量數據h進行計算

h＝D-H＝D-VT

式中，D為測量裝置到雪尺零點的距離，單位為m；H為測量裝置到積雪表面的距離，單位為m；V為超聲波在空氣中的傳播速度，單位為m/s，將計算結果傳遞給微處理器模塊并保存；

步驟五、電機控制雪深測量裝置順時針依次旋轉90度、180度、270度，并重復步驟二、步驟三、步驟四，一共得到四組不同位置的雪深測量數據，對四組數據求取平均值，獲得測量區域的雪深測量結果，將最終測量結果傳遞給微處理器模塊并保存，結束測量。

3.根據權利要求2所述的一種基于歸一化互相關時延測量的超聲波雪深測量裝置的測量方法，其特征在于：所述步驟二中，超聲波在空氣中的傳播速度v與溫度的關系表達式如下所示：

V＝331.4(Ta/273.15)

Ta＝273.15+t₀

式中，Ta表示華氏溫度，t₀表示攝氏溫度。

4.根據權利要求2所述的一種基于歸一化互相關時延測量的超聲波雪深測量裝置的測量方法，其特征在于：所述步驟三中，具體方法如下：

(1)超聲波回波信號的模型

超聲波回波信號的高斯模型可表示為：

θ＝[α τ f_c φ β]

式中：α表示帶寬因子，τ表示延遲時間，f_c表示中心頻率，φ表示相位，β表示幅度系數，θ表示[α τ f_c φ β]的參數合集，t表示信號時間，S(θ,t)表示超聲波回波信號高斯模型的幅度；

根據超聲波回波信號的高斯模型，超聲波傳感器發射信號x(t)、接收信號y(t)可以表示為：

x(t)＝s(t)

y(t)＝s(t-T)+m(t)+n(t)

其中：

m(t)＝A*cos(2πf_mt)

式中：s(t)為驅動信號，m(t)為與驅動信號頻率不同的周期性干擾，是氣象儀器測試站中其他測量儀器對超聲波雪深測量系統產生的干擾，A和f_m分別是周期性干擾信號的幅值和頻率，n(t)為符合Alpha穩定分布的噪聲，T為待測時間延遲；

(2)基于歸一化互相關的聲波信號時延估計方法

根據歸一化互相關函數定義，超聲波發射信號x(t)和接收信號y(t)的歸一化互相關函數r_yx(τ)表達式可寫為：

式中E[·]代表求取期望，由于x(t)、m(t)、n(t)三者相互獨立，則上式可表示為：

經化簡，超聲波發射信號x(t)和接收信號y(t)的歸一化互相關函數r_yx(τ)樣本估計可表示為：

由于信號具有平穩遍歷性，當N足夠大時，下式存在：

則歸一化互相關樣本估計可表示為：

根據歸一化函數定義和相關函數的性質可知：

因此在τ＝T時取得最大值；

由上式可知，對歸一化相關函數進行峰值搜索，獲得最大值點所在的位置，得到本次測量的時間延遲T值。