[发明专利]一种测量风速和风向的方法及系统

权利要求书

1.一种测量风速和风向的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取待测风信息；所述待测风信息包括待测风的风速范围和待测风的风向范围；

建立一发四收弧形阵列结构；所述一发四收弧形阵列结构包括一个用于发射信号的发射阵元和四个用于接收信号的接收阵元；所述接收阵元接收所述发射阵元发射的信号；

以所述一发四收弧形阵列结构中的一个所述接收阵元为基准阵元，获取所述发射阵元发射的所述信号到达所述接收阵元时相对于所述发射阵元发射的所述信号到达所述基准阵元时的时延计算表达式；具体包括：

获取所述信号向第i个所述接收阵元的速度传播公式；所述速度传播公式为：

式(1)中α为相邻两个所述接收阵元与所述发射阵元连线的夹角，θ为待测风的风向，v为待测风的风速；

获取所述信号到达第i个所述接收阵元的时间计算表达式；所述时间计算表达式为：

式(2)中c为声波的传播速度，V_i表示所述信号向第i个所述接收阵元传播的速度；R为所述接收阵元到所述发射阵元的距离；

根据所述时间计算表达式，获取所述发射阵元发射的所述信号到达所述接收阵元时相对于所述发射阵元发射的所述信号到达所述基准阵元时的时延计算表达式；所述时延计算表达式为：

根据所述时延计算表达式和所述待测风信息，采用波束形成算法，计算风的风速和风向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述时延计算表达式和所述待测风信息，采用波束形成算法，计算风的风速和风向之前，所述方法还包括：

根据公式(4)确定所述发射阵元发射的所述信号；所述公式(4)为：

s₁(t)＝u₁(t)e^j[wt+φ(t)] (4)；

式(4)中u₁(t)为所述信号的幅度，为所述信号的相位；w＝2πf，f为发射信号的频率；

根据公式(5)确定所述接收阵元接收到的信号；所述公式(5)为：

x_i(t)＝s₁(t-τ_i)+n_i(t) (5)；

式(5)中n_i(t)为第i个所述接收阵元接收到的噪声，且各所述接收阵元接收的噪声之间彼此独立；τ_i表示所述信号到达第i个所述接收阵元相对于所述信号到达所述基准阵元的时延；

根据所述公式(3)、所述公式(4)和所述公式(5)，计算所述一发四收弧形阵列结构的阵列流型矢量；所述阵列流型矢量表示为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述时延计算表达式和所述待测风信息，采用波束形成算法，计算风的风速和风向，具体包括：

根据公式(7)确定所述波束形成算法的加权矢量；所述公式(7)为：

式(7)中定义所述阵列流型矢量为所述波束形成算法的加权矢量；

根据所述波束形成算法的加权矢量，确定波束形成器输出功率的计算公式；所述波束形成器输出功率的计算公式为：

F(θ,v)＝W^HQW＝a^H(θ,v)Qa(θ,v) (8)；

式(8)中Q为x(t)的协方差矩阵，即Q＝E[x(t)x^H(t)]；其中，N表示采样点数；H表示复数矩阵的共轭转置；

根据所述待测风信息和所述公式(8)，计算风的风速和风向。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述待测风信息和所述公式(8)，计算风的风速和风向，具体包括：

根据所述待测风信息和所述公式(8)，计算所述波束形成器输出功率的最大值，并将所述波束形成器输出功率的最大值时对应的风速和风向确定为风的风速和风向。