基于ESB波束形成算法的风速风向测量装置

基于esb波束形成算法的风速风向测量装置
技术领域
1.本实用新型属于风速测量技术领域，更具体地说，是涉及一种基于esb波束形成算法的风速风向测量装置。


背景技术：

2.近年来，常用的风参数的测量方法有机械式、热式、超声波式等。机械式测风仪以风杯式、螺旋桨式为主，主要根据机械旋转来测量风参数，但机械旋转磨损损耗大，非常影响测量精度和使用寿命。热式风速仪不存在机械磨损，适用于高分辨率以及低风速测量场合，但是随着风速的增加，灵敏度下降，而且其中的热量元件较脆弱容易损坏。
3.为了发掘多维空域信息，提高风参数的测量精度，超声波测风技术以其无机械转动耗损、测量范围广、测量精度高以及维护成本低等诸多优势，得到了人们的广泛关注和重视。针对超声波风速风向的测量，已经提出了诸多研究方法，如时差法、频差法以及基于互相关法、自适应时延估计等方法。其中时差法应用最为广泛，其是利用超声波在顺风与逆风的情况下到达时间的不同，实现对风速和风向的测量。因此，对时间延迟的准确测量是时差法测量精度的决定因素。但是利用硬件计时电路实现时延测量的方式，需要设置峰值检波与阈值比较电路，无法对噪声进行抑制，所以在实际应用中无法获得真正的起止时刻点，导致在强噪声条件下测量误差较大。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于esb波束形成算法的风速风向测量装置，旨在解决利用硬件计时电路实现时延测量的方式，在强噪声的条件下测量误差较大的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种基于esb波束形成算法的风速风向测量装置，包括超声波发射阵列、超声波接收阵列、反射装置、信号处理装置和显示装置，所述超声波接收阵列均与所述信号处理装置电连接，所述信号处理装置与所述显示装置电连接；
6.所述超声波发射阵列包括多个超声波发射单元，所述超声波接收阵列包括多个超声波接收单元，多个所述超声波发射单元和多个所述超声波接收单元均一一对应，且位于同一虚拟圆的圆弧上，所述反射装置位于所述虚拟圆的圆心，用于将所述超声波发射单元发射的超声波反射至对应的所述超声波接收单元。
7.在一种可能的实现方式中，多个所述超声波发射单元位于所述虚拟圆的圆弧的侧向，多个所述超声波接收单元位于所述虚拟圆的圆弧的下部。
8.在一种可能的实现方式中，多个所述超声波发射单元以所述虚拟圆的水平直径两两对称分布，多个所述超声波接收单元以所述虚拟圆的竖直直径两两对称分布。
9.在一种可能的实现方式中，相邻的两个所述超声波发射单元与虚拟圆的圆心连线的夹角为15
°
，相邻的两个所述超声波接收单元与虚拟圆的圆心连线的夹角为15
°
。
10.在一种可能的实现方式中，所述超声波发射单元包括第一壳体、第一压电晶片和
多个第一引脚，所述第一壳体的一端开设有朝向所述反射装置的发射口，所述第一壳体内设有用于遮盖所述发射口的第一金属丝网罩，所述第一压电晶片位于所述第一壳体内，所述第一压电晶片靠近所述发射口的一侧设有第一共振盘，多个所述第一引脚电连接所述第一压电晶片；
11.所述超声波接收单元包括第二壳体、第二压电晶片和多个第二引脚，所述第二壳体的一端开设有朝向所述反射装置的接收口，所述第二壳体内设有用于遮盖所述接收口的第二金属丝网罩，所述第二压电晶片位于所述第二壳体内，所述第二压电晶片靠近所述接收口的一侧设有第二共振盘，多个所述第一引脚电连接所述第一压电晶片，并与所述信号处理装置电连接。
12.在一种可能的实现方式中，所述第二压电晶片设置第二共振盘的一侧安装有阻抗匹配器。
13.在一种可能的实现方式中，所述第一压电晶片和所述第二压电晶片均为压电陶瓷晶片。
14.在一种可能的实现方式中，所述信号处理装置包括协调器和单片机，所述协调器用于接收超声波接收阵列的数据信号，所述单片机用于分析数据信号并反馈至所述显示装置。
15.在一种可能的实现方式中，所述反射装置是一种具备全反射界面的硬塑料、玻璃或陶瓷制件。
16.本实用新型提供的基于esb波束形成算法的风速风向测量装置的有益效果在于：超声波发射阵列发射超声波至反射装置，反射装置将超声波反射至超声波接收阵列，经信号处理装置分析处理，并通过显示装置显示相应数值。其中，多个分布于同一虚拟圆的圆弧上的超声波发射单元，以不同路径和不同角度向反射装置发出超声波，并经过反射装置反射，以对应的路径反馈至多个超声波接收单元，超声波接收单元将对应的实际数值反馈至信号处理装置，信号处理装置分析比对实际数值和无风状态下的预设数值，从而测算出相应的风速和风向，并通过显示装置显示风速和风向的相应数值。本实用新型提供的基于esb波束形成算法的风速风向测量装置，具有提高现有超声波测风仪的噪声抑制能力和现有测风系统的抗干扰能力，提高风速风向测量精度，可广泛应用于各种复杂的环境中。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本实用新型实施例提供的基于esb波束形成算法的风速风向测量装置的结构示意图；
19.图2为本实用新型实施例提供的超声波发射单元的结构示意图；
20.图3为本实用新型实施例提供的超声波接收单元的结构示意图；
21.图4为本实用新型实施例提供的风速风向测量装置的标识图。
22.附图标记说明：
23.1、超声波发射单元；2、超声波接收单元；3、反射装置；4、信号处理装置；5、显示装置；6、虚拟圆；7、第一壳体；8、第一压电晶片；9、第一引脚；10、发射口；11、第一金属丝网罩；12、第一共振盘；13、第二壳体；14、第二压电晶片；15、第二引脚；16、接收口；17、第二金属丝网罩；18、第二共振盘；19、阻抗匹配器。
具体实施方式
24.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
25.请参阅图1，现对本实用新型提供的基于esb波束形成算法的风速风向测量装置进行说明。基于esb波束形成算法的风速风向测量装置，包括超声波发射阵列、超声波接收阵列、反射装置3、信号处理装置4和显示装置5，超声波接收阵列均与信号处理装置4电连接，信号处理装置4与显示装置5电连接。
26.超声波发射阵列包括多个超声波发射单元1，超声波接收阵列包括多个超声波接收单元2，多个超声波发射单元1和多个超声波接收单元2均一一对应，且位于同一虚拟圆6的圆弧上，反射装置3位于虚拟圆6的圆心，用于将超声波发射单元1发射的超声波反射至对应的超声波接收单元2。
27.本实用新型提供的基于esb波束形成算法的风速风向测量装置，与现有技术相比，超声波发射阵列发射超声波至反射装置3，反射装置3将超声波反射至超声波接收阵列，经信号处理装置4分析处理，并通过显示装置5显示相应数值。其中，多个分布于同一虚拟圆6的圆弧上的超声波发射单元1，以不同路径和不同角度向反射装置3发出超声波，并经过反射装置3反射，以对应的路径反馈至多个超声波接收单元2，超声波接收单元2将对应的实际数值反馈至信号处理装置4，信号处理装置4分析比对实际数值和无风状态下的预设数值，从而测算出相应的风速和风向，并通过显示装置5显示风速和风向的相应数值。本实用新型提供的基于esb波束形成算法的风速风向测量装置，具有提高现有超声波测风仪的噪声抑制能力和现有测风系统的抗干扰能力，提高风速风向测量精度，可广泛应用于各种复杂的环境中。
28.具体的，多个超声波发射单元1位于虚拟圆6的圆弧的侧向，多个超声波接收单元2位于虚拟圆6的圆弧的下部。多个超声波发射单元1以虚拟圆6的水平直径两两对称分布，多个超声波接收单元2以虚拟圆6的竖直直径两两对称分布。相邻的两个超声波发射单元1与虚拟圆6的圆心连线的夹角为15
°
，相邻的两个超声波接收单元2与虚拟圆6的圆心连线的夹角为15
°
。
29.具体的，请参照图2和图3，超声波发射单元1包括第一壳体7、第一压电晶片8和多个第一引脚9，第一壳体7的一端开设有朝向反射装置3的发射口10，第一壳体7内设有用于遮盖发射口10的第一金属丝网罩11，第一压电晶片8位于第一壳体7内，第一压电晶片8靠近发射口10的一侧设有第一共振盘12，多个第一引脚9电连接第一压电晶片8。
30.超声波接收单元2包括第二壳体13、第二压电晶片14和多个第二引脚15，第二壳体13的一端开设有朝向反射装置3的接收口16，第二壳体13内设有用于遮盖接收口16的第二金属丝网罩17，第二压电晶片14位于第二壳体13内，第二压电晶片14靠近接收口16的一侧
设有第二共振盘18，多个第一引脚9电连接第一压电晶片8，并与信号处理装置4电连接。
31.其中，第一共振盘12和第二共振盘18均为锥形，二者的扩口方向分别朝向发射口10和接收口16，方便顺利的发射和接收超声波。
32.第一超声波接收单元和第二超声波单元的结构基本相同，二者的发射口10和接收口16相对于反射装置3。二者唯一的区别在于，第二压电晶片14设置第二共振盘18的一侧安装有阻抗匹配器19。阻抗匹配器19安装在第二压电晶片14设置第二共振盘18的一侧，确保超声波信号皆能准确被第二共振盘18完全接收，不会有信号反射回来源点，从而提升超声波接收的准确度。
33.优选的，第一压电晶片8和第二压电晶片14均为压电陶瓷晶片。
34.压电陶瓷晶片是一种结构简单且轻巧的电学器件，因具有灵敏度高，无磁场散播外溢，不用铜线和磁铁，成本低耗电少，便于大量生产等优点而获得了广泛应用。适合于超声波的发射和接收。
35.具体的，信号处理装置4包括协调器和单片机，协调器用于接收超声波接收阵列的数据信号，单片机用于分析数据信号并反馈至显示装置5。其中，单片机上编辑有利用matlab软件开发的串口界面，利用串口界面分析数据信号。
36.可选的，显示装置5为显示屏，可将信号处理装置4的处理结果进行算法求解通过该显示屏进行显示，相比之前的装置来说较为直观。其本质为单片机上通过matlab软件建立相关算法得到最终的风速风向结果。
37.其中，反射装置3是一种具备全反射界面的硬塑料、玻璃或陶瓷制件。反射超声波的能力主要考虑到的是制件的声抗阻，硬塑料的声抗阻约为空气声抗阻的1116倍，玻璃的声抗阻约为空气声抗阻的1938倍。
38.请参照图4，本实用新型是根据esb波束形成的算法设计而成，具体如下：
39.m1～m4为超声波发射单元1,v1～v4为超声波接收单元2，其中反射装置3的尺寸与发射传感器和接收传感器相同，以上单元以及反射装置3只代表其位置，并不代表其几何形状。
40.超声波发射单元1发射的超声波波束经过反射装置3后，波束方向发生改变，使发射波束被超声波接收单元2所接收，所有单元分布在半径为r的虚拟圆6上。mi发射超声波信号发生全反射的位置恰好为vi。
41.由于多个超声波发射单元1同时发射超声波信号，在无风时刻，超声波接收单元2同时接收信号，不存在时间延迟；在有风时刻，风信号的存在会影响发射信号到达反射装置3的时间，以及反射信号到达超声波信号接收单元的时间，产生时间延迟，且与风速v和风向角θ有关。
42.α角为15
°
时，反射信号ni被所有接收单元所接收。
43.现研究发射信号从反射装置3到超声波接收阵列的算法过程，从超声波发射阵列到反射装置3的算法过程相同，不再另行说明。
44.v为待测风速的大小，v与竖直顺时针方向的夹角θ为待测风向角。可以得到风速在反射装置3与超声波接收阵列vi连线上的分量：
45.[0046][0047][0048][0049]
由于超声波发射单元1的信号是单频窄带信号，故其可用如下复包络形式进行表示：
[0050][0051]
式中，u(t)为超声波信号幅度，ω0为超声波信号角频率，ω0＝2πf，为超声波信号相位。
[0052]
以超声波v1为基准单元，则第i(i＝1,2,3,4)个单元接收到的信号可表示为：
[0053][0054]
式中，τi为第i个单元接收到超声波发射信号相对于基准单元的时延；ni(t)为第i个单元接收到的噪声信号。
[0055]
将四个单元接收信号写成矢量的形式，得到超声波信号接收矩阵如下所示：
[0056][0057]
简化为矩阵形式如下所示：
[0058]
x(t)＝as(t)+n(t)
[0059]
式中，x(t)为超声波传感器阵列接收信号矢量；a为导向矢量；n(t)为加性噪声矢量。
[0060]
反射信号到达超声波接收单元2vi的时间为：
[0061][0062]
式中，r为虚拟圆6的半径，c为超声波在无风条件下的传输速度。
[0063]
则各接收单元接收到超声波信号相对于基准单元的时延τi可表示为：
[0064]
τ1＝t
n1-t
n1
＝0
[0065][0066][0067]
[0068]
结合上式即可得到隐含待求参数风速v和风向角θ的导向矢量a(θ,v)，如下所示：
[0069][0070]
得到导向矢量a(θ,v)后，采用esb波束形成算法对阵列接收信号矢量x(t)处理，即可从阵列信号矢量x(t)中辨别出风速v和风向角θ。
[0071]
基于esb波束形成算法的风速风向测量方法主要包括以下几步：
[0072]
1.对阵列接收信号矩阵x(t)进行奇异值分解。得到由大奇异值对应的特征向量构成的信号子空间和小奇异值对应的特征向量构成的噪声子空间。
[0073]
2.将mvdr波束形成器权值投影到信号子空间上，舍弃mvdr波束形成器权值在噪声子空间上的分量，保留在信号子空间中的分量。
[0074]
3.得到特征空间下的波束形成权值矢量后，求出基于特征空间下波束形成器的输出功率谱，输出功率的最大值对应的值即为所求的风速和风向角。
[0075]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。