[发明专利]一种风速风向评估系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字信号处理技术领域，特别是涉及一种风速风向评估系统及方法。

背景技术

风速风向评估系统主要分为机械式和非机械式两类。机械式主要包括风杯式和螺旋桨式，日常使用中机械摩擦以及粉尘、沙石对转动部件的击打和磨损作用，导致机械式风速风向评估系统使用寿命不高；低温结冰情况下风向标、风杯被冻住不能旋转，也将导致机械式风速风向评估系统失灵；受最大静摩擦力影响，对于风速较小的情况，机械式风速风向评估系统无法获得准确的风速值。热式风速传感器，具有结构简单、价格低廉、风速测量范围宽、灵敏度高、响应速度快等优点，但其测量结果受环境温度和环境湿度影响严重。超声波测风虽然测量精度较高，但价格较昂贵，并且安装位置要求较高。测力方式的测风仪受临界雷诺区现象的影响，测量结果线性度较差，并且其依赖的测力方法，恶劣环境下长时间工作稳定性较差。基于传声器阵列技术，通过合理布局传声器阵列，结合低运算复杂度阵列信号一致性评估方法，实现风速与风向的评估系统，目前未见相关产品及研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风速风向评估系统及方法。通常风噪声在阵列信号处理中常被作为干扰信号，影响声阵列信号处理系统的性能，一般情况下风速越大，风噪声越强，其对阵列信号处理系统的影响越严重。本发明利用风速对阵列信号处理影响成比例的关系，采用阵列信号一致性评估方法，给出风速风向评估数据。

本发明的风速风向评估系统包括：传声器阵列、模拟调理电路、模数转换电路、数字信号处理器、数据输出电路、系统电源电路。传声器阵列，负责收集不同风速风向下，风作用在传声器系统上产生的声信号，传声器阵列的阵元数量为三个以上（包括三个）；模拟调理电路，将传声器收集到的声信号进行信号放大、带宽限制等模拟信号处理；模数转换电路，对模拟调理电路输出信号进行模拟-数字同步转换，生成数字序列；数字信号处理器，处理模数转换电路输出数字序列，得到风速风向数据；数据输出电路，按照既定的传输协议输出数字信号处理器产生的风速风向数据；系统电源电路，为系统提供稳定的工作电源。

所述的传声器阵列为、四元阵、六元阵、八元阵或十元阵，传声器阵列的拓扑结构为圆阵、方阵、线阵、球面阵或四面体阵。、阵列孔径及阵列拓扑结构，可以按照风速风向评估系统的产品技术指标需求合理配置。通常情况下，阵元数量越多，阵列孔径越大，阵列拓扑结构中心对称度高，风速风向评估系统的精度与灵敏度越高。

所述的模拟调理电路应保证阵列各通道信号处理的幅度相位一致性，各通道间信号处理的一致性影响风速风向评估系统的精度。

所述的模数转换电路应采用为同步转换电路，保证阵列各通道数据采集的同步，模数转换器的同步性能影响风速风向评估系统的精度。

风速风向评估系统工作流程为：传声器阵列收集到的风作用在传声器上的模拟信号，经过模拟调理电路的同增益、等相位放大、带宽限制处理后，送入模数转换电路同步转换成数字序列，数字信号处理器采用风速风向评估方法评估数字序列，得到风速风向数据，交给数据输出电路，按照既定传输协议输出。系统电源电路，为系统提供稳定的工作电源。

所述的评估系统的评估方法包括以下步骤：

传声器阵列采集风作用的声信号；

模拟调理电路对传声器阵列采集的声信号进行模拟信号处理；

模数转换电路对经模拟信号处理后的声信号进行模拟-数字同步转换，提供数字化传声器阵列数字序列，供后续处理模块执行信号处理方法；

信号预处理，执行基线去除、数字滤波、信号归一化等数字信号预处理；

数字信号处理器采用通道间一致性评估方法，对阵列通道间数字序列信号进行一致性评估；

数字信号处理器根据通道间一致性评估结果，通过既定风向换算方法，换算出风向数据信号；

数字信号处理器根据通道间一致性评估结果，通过既定风速换算方法，换算出风速数据信号；

数据输出电路按照既定输出数据协议，输出风速数据信号和风向数据信号。