一种超声波传感阵列测风装置及其方法

本发明涉及测风领域，特别是涉及一种超声波传感阵列测风装置及其方法。

背景技术：

风是由于空气流动而引起的一种常见的自然现象，也是重要的气象资料之一，它对各行各业都有着十分重要的影响。从农业、运输业、建筑业到航空领域、航海领域以及气象观测领域，风的影响都是不可避免的。因此对风向风速的精确测量有很高的要求。

目前，主要用于测风的风速计有机械式风速风向传感器、超声波风速风向传感器、热电式风速风向传感器。其中，机械式风速风向传感器工作时存在机械运动，其摩擦阻力影响测风效果和使用寿命；超声波式风速风向传感器对信号在逆风和顺风时传播时间的测量精度影响风速风向的测量精度；热电式风速风向传感器价格昂贵而且不能适应温度的激烈变化。

同时，不久前提出的几种阵列结构的测风方法也应用于这一领域，但是基于阵列信号处理理论中的其他阵列测风结构，由仿真实验结果可知，在信噪比较低时，对风速风向估计成功率小，均方根误差较大，即噪声对风信号的测量精度和测风系统的抗干扰能力的影响较大，因此，现有技术对风速风向的测量精度低，测量范围小，抗干扰性差。

此外，采用时差法原理的风参数测量仪由于测量超声波传播时间的准确性低从而导致测风准确性低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超声波传感阵列测风装置，用于解决现有测风装置中测量精度低以及测风准确性低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种超声波传感阵列测风装置，包括：超声波传感器模块、多个第一超声波传感器以及多个第二超声波传感器；

所述超声波传感器模块用于发送超声波信号；

在同一平面内，以超声波传感器模块为中心，所述第一超声波传感器与所述第二超声波传感器中心对称设置；

相邻的所述第一超声波传感器之间夹角相同，相邻的所述第二超声波传感器之间夹角相同。

可选的，所述超声波传感器模块具体包括：第三超声波传感器以及第四超声波传感器；

所述第三超声波传感器与所述第四超声波传感器的超声波输出方向相反。

可选的，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器以及所述第四超声波传感器的型号均为hc-sr04。

可选的，所述第一超声波传感器与所述第二超声波传感器的数量均为4个。

一种超声波传感阵列测风方法，包括：发射阵元以及接收阵元；所述发射阵元为超声波传感器模块；所述接收阵元为第一超声波传感器以及第二超声波传感器；

获取所述超声波传感阵列测风装置的待测风信号以及所述发射阵元的超声波信号；

对所述待测风信号进行矢量分解，确定所述发射阵元以及所述接收阵元的直线上的风速矢量；

对所述风速矢量进行计算，确定所述超声波信号从所述发射阵元传播到各个接收阵元的第一时间段；

获取所述超声波信号从所述发射阵元传输到参考阵元的第二时间段；所述参考阵元为所述接收阵元中的任一超声波传感器；

根据所述第一时间段以及所述第二时间段构建阵列流型；

利用常规波束形成算法对所述阵列流型进行处理，确定波束形成器的输出总功率；

根据所述输出总功率确定所述待测风信号的待测风信息；所述待测风信息包括风速和风向。

可选的，所述对所述风速矢量进行计算，确定所述超声波信号从所述发射阵元传播到各个接收阵元的第一时间段，具体包括：

利用公式确定所述超声波信号从所述发射阵元传播到各个接收阵元的第一时间段；其中，vi为风速在发射传感器与第i个接收传感器连线方向上的分量，ti为超声波信号传播到接收阵元中第i个超声波传感器的时间，c为超声波传播速度，r为所述发射阵元与所述接收阵元中一个超声波传感器的间距。

可选的，所述根据所述第一时间段以及所述第二时间段构建阵列流型，具体包括：

计算所述第一时间段以及所述第二时间段的时间差值；

根据所述时间差值，利用公式

构建阵列流型；其中，a为所述阵列流型，α(θ,v)表示方向矢量，α为所述接收阵元中相邻两个超声传感器之间的夹角，v为所述待测风的风速，f为频率，j代表矢量。

可选的，所述利用常规波束形成算法对所述阵列流型进行处理，确定波束形成器的输出总功率，具体包括：

根据波束形成器输出公式：y(t)＝w^hx(t)；其中w为权向量，x(t)为阵列接收矢量，h表示矩阵的共轭转置，当权向量w与所述阵列流型相等时，通过公式变换即可得到所述波束形成器输出总功率。

可选的，所述根据所述输出总功率确定所述待测风信号的待测风信息，具体包括：

利用谱峰搜索方法，根据所述输出总功率确定最大的输出总功率，并获取所述最大的输出总功率对应的风速和风向；所述最大的输出总功率对应的风速和风向为所述待测风信号的待测风信息。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明超声波传感阵列测风装置通过设置多个用于接收超声波信号的超声波传感器，并将多个超声波传感器以超声波传感器模块为中心，中心对称排列设置，并进一步实现对待测风的风速、风向等信息的大范围、高精度以及高抗干扰性的检测。

此外，本发明超声波传感阵列测风方法中，第一超声波传感器与第二超声波传感器是以超声波传感器模块为中心，通过中心对称设置的，所以风速在第一超声波传感器与第二超声波传感器所在的直线上存在大小相等、方向相反的分量，由此可见，在同一时间有两个超声波传感器对同一风速信号分量进行检测，加强了对风信号的检测能力，有利于提高测风系统的测量精度以及抗干扰能力。

其次，本发明与传统的基于时差法进行风参数检测的测风仪相比，本方法是对超声波信号传输时间的差值进行计算，而不是直接对超声波信号的传输时间进行直接计算，所以避免了在时间的测量精度较低的情况下，测风结果准确性较低的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的装置结构图；

图2为本发明所提供的的方法流程图；

图3为本发明所提供的风向的估计成功率仿真图；

图4为本发明所提供的风速的估计成功率仿真图；

图5为本发明所提供的风向均方根误差仿真图；

图6为本发明所提供的风速均方根误差仿真图；

图7为本发明所提供的联合均方根误差仿真图。

符号说明：

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种超声波传感阵列测风装置，以实现对风速风向的高精度、大范围的检测，并大幅提高对环境中的噪声的抗干扰能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种超声波传感阵列测风装置，包括：超声波传感器模块、多个第一超声波传感器以及多个第二超声波传感器；

所述超声波传感器模块用于发送超声波信号；

在同一平面内，以超声波传感器模块为中心，所述第一超声波传感器与所述第二超声波传感器中心对称设置；

相邻的所述第一超声波传感器之间夹角相同，相邻的所述第二超声波传感器之间夹角相同。

在实际应用中，所述超声波传感器模块具体包括：第三超声波传感器以及第四超声波传感器；

所述第三超声波传感器与所述第四超声波传感器的超声波输出方向相反。

在实际应用中，所述第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器以及所述第四超声波传感器的型号均为hc-sr04。

在实际应用中，所述第一超声波传感器与所述第二超声波传感器的数量均为4个。

如图2所示，一种超声波传感阵列测风方法，包括：发射阵元以及接收阵元；所述发射阵元为超声波传感器模块；所述接收阵元为第一超声波传感器以及第二超声波传感器；

步骤100：获取所述超声波传感阵列测风装置的待测风信号以及所述发射阵元的超声波信号；

步骤101：对所述待测风信号进行矢量分解，确定所述发射阵元以及所述接收阵元的直线上的风速矢量；

所示风速矢量vi为风速在发射传感器与第i个接收传感器连线方向上的分量，所述风速矢量如下：

步骤102：对所述风速矢量进行计算，确定所述超声波信号从所述发射阵元传播到各个接收阵元的第一时间段；

步骤103：获取所述超声波信号从所述发射阵元传输到参考阵元的第二时间段；所述参考阵元为所述接收阵元中的任一超声波传感器；

步骤104：根据所述第一时间段以及所述第二时间段构建阵列流型；

步骤105：利用常规波束形成算法对所述阵列流型进行处理，确定波束形成器的输出总功率；

步骤106：根据所述输出总功率确定所述待测风信号的待测风信息；所述待测风信息包括风速和风向。

在实际应用中，所述对所述风速矢量进行计算，确定所述超声波信号从所述发射阵元传播到各个接收阵元的第一时间段，具体包括：

利用公式确定所述超声波信号从所述发射阵元传播到各个接收阵元的第一时间段；其中，vi为所述风速矢量，即为风速在发射传感器与第i个接收传感器连线方向上的分量，ti为超声波信号传播到接收阵元中第i个超声波传感器的时间，c为超声波传播速度，r为所述发射阵元与所述接收阵元中一个超声波传感器的间距。

所述第一时间段数据具体如下：

在实际应用中，所述根据所述第一时间段以及所述第二时间段构建阵列流型，具体包括：

计算所述第一时间段以及所述第二时间段的时间差值；

所述时间差值如下：

其中，τi表示超声波信号传输到接收阵元与传输到参考阵元的时间差。

根据所述时间差值，利用公式

构建阵列流型；其中，a为所述阵列流型，α(θ,v)表示方向矢量，α为所述接收阵元中相邻两个超声传感器之间的夹角，v为所述待测风的风速，f为频率，j代表矢量。

阵列接收矢量为：x(t)＝as(t)+n(t)，其中：x(t)＝[x1(t),.....xm(t)]^t；n(t)＝[n1(t),......nm(t)]为m*1维的高斯白噪声；为超声波信号，其中u(t)为接收信号的幅度(慢变幅度调制函数)，φ(t)为接收信号的相位(慢变相位调制函数)，w0＝2πf为接收信号的频率。表示方向矢量

在实际应用中，所述利用常规波束形成算法对所述阵列流型进行处理，确定波束形成器的输出总功率，具体包括：

根据波束形成器输出公式：y(t)＝w^hx(t)；其中w为权向量，x(t)为阵列接收矢量，h表示矩阵的共轭转置，当权向量w与所述阵列流型相等时，通过公式变换即可得到所述波束形成器输出总功率。

所述输出总功率表示为：p(w)＝e[y(t)y^h(t)]＝w^hrw＝α(θ,v)^hrα(θ,v)其中：r＝e(x(t)x^h(t))，a(θ,v)表示方向矢量。

在实际应用中，所述根据所述输出总功率确定所述待测风信号的待测风信息，具体包括：

利用谱峰搜索方法，根据所述输出总功率确定最大的输出总功率，并获取所述最大的输出总功率对应的风速和风向；所述最大的输出总功率对应的风速和风向为所述待测风信号的待测风信息。

在利用所述谱峰搜索方法时，在角度1°-360°范围内选定步长为1°；在速度1m/s-60m/s范围内选定步长为0.1m/s，进行二维谱峰搜索，找出总输出功率最大时对应的角度值和速度值即为待测的风向角和风速值。

测风仿真实验：

根据本发明超声波传感阵列测风方法进行仿真实验，选取发射阵元到接收阵元的距离为10cm，发射超声波信号的频率为40khz，各阵元噪声为加性高斯白噪声。风速扫描范围为0～60m/s，步长为0.1m/s。风向角扫描范围为0～359°，步长为1度。快拍数为5000，选定snr＝5db,四组随机风参数如下：

(1)、v＝0m/s,theta＝0°

(2)、v＝15m/s,theta＝65°。

(3)、v＝35m/s,theta＝145°

(4)、v＝55m/s,theta＝275°

通过所述谱峰搜索方法，可以清楚的得到第一组参数仿真结果：v＝0m/s,theta＝0°，第二组参数仿真结果：v＝15m/s,theta＝65°，第三组参数仿真结果：v＝35m/s,theta＝145°，第四组参数仿真结果：v＝55m/s,theta＝275°。

由此可知，本发明超声波传感阵列测风方法应用常规波束形成算法可以实现v＝0～60m/s,theta＝0°～359°范围内的无差估计。所以本文所提阵列结构是可行的。

统计性能实验：

为验证本发明超声波传感阵列测风方法的可行性，选取发射阵元到接收阵元的距离为10cm，发射的超声波信号的频率为40khz，快拍数为5000。各阵元噪声为加性高斯白噪声。在信噪比为snr＝-6db～14db的范围内，取步长为1db。风速扫描范围为0～60m/s，步长为0.1m/s。风向角扫描范围为0～359°，步长为1度。输入以下三组风速风向参数，分别在snr＝-6db～14db范围内的每个信噪比下做100次蒙特卡洛实验，即在每个信噪比下得到100组风速风向值，用于下面的风速估计成功率实验和均方根误差实验、风向估计成功率实验和均方根误差实验。

所述三组风速风向参数如下：

第一，成功率实验：

由于风速扫描的步长为0.1m/s，当给定风速值与通过实验得到的风速值之间的差的绝对值小于0.1m/s时，认为实验成功；由于风向扫描的步长为1度，当给定风向值与通过实验得到的风向值之间的差的绝对值小于1度时，认为实验成功，仿真实验结果如图3和图4所示。

由图3和图4可知，仿真实验验证了在信噪比大于-1db时，在0-360°的范围内风向的估计成功率达到100％；信噪比大于2db时，在0-60范围内风速的估计成功率达到100％。

第二，均方根误差实验：

均方根误差表示公式为：其中n为蒙特卡洛实验次数，本次实验中n＝100。其中xci为i次仿真结果，为风参数给定值。实验结果如图5至图7所示。

由仿真实验结果可知，风向角的均方根误差均小于1，并且在信噪比大于-1db时，均方根误差为零；风速均方根误差均小于0.2，在信噪比大于2db时，均方根误差为0；联合均方根误差小于1，在信噪比大于2db时，均方根误差为0。

以上实验验证了本文所提出的对称的双弧形阵列测风结构对风参数的测量具有很高的测量精度以及较强的测风系统抗干扰能力。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。