[发明专利]基于多重信号分类算法的三维风速风向测量方法

权利要求书

1.一种基于多重信号分类算法的三维风速风向测量方法，包括：

利用超声波传感器阵列发射和接收信号；所述超声波传感器阵列包括一个发射超声波传感器和五个接收超声波传感器；所述超声波传感器位于同一个水平面上，所述接收超声波传感器均匀排列在以发射超声波传感器为圆心、半径为R的1/4圆弧上，每两个相邻接收超声波传感器之间相隔角度为22.5°；其中一个接收超声波传感器位于所述发射超声波传感器X轴正向方向；

对接收到的信号进行采样获得接收信息，并计算超声波信号的传播时延；所述接收到的信号的向量A(θ,β,V)计算方法为：

其中，f发射超声波传感器发射的超声波频率；

τ_i为信号到达第i个传感器的传播时延，i＝1～5，则τ_i的表达式为：

式中v_i是三维空间内的风速V在发射超声波传感器与i个接收超声波传感器连线上的分量，v_i的表达式是：

其中β是三维空间中风的俯仰角，θ是三维空间中风的方位角，α是相邻接收超声波传感器之间的夹角，即22.5°；

计算接收信号的协方差矩阵并进行子空间分解；所述接收信号的协方差矩阵R_x的计算方法为：

R_x＝E(X(t)X^H(t))

其中，H表示共轭转置；X(t)为接收信号矩阵,

X(t)＝[x₁(t),x₂(t),x₃(t),x₄(t),x₅(t)]^T

Т表示矩阵转置；对上式中的数学期望使用平均值估计，则R_x的估计值可表示为：

接收信号受到噪声的影响，因此接收信号协方差矩阵R_x又可以分解为信号子空间和噪声子空间两部分，即：

其中U_S代表信号子空间，U_N代表噪声子空间，∑_S是信号特征值组成的对角阵，∑_N是噪声特征值组成的对角阵；将接收信号协方差矩阵的估计值进行特征分解，得到对应的信号和噪声子空间，即：

利用噪声子空间计算谱函数，搜索谱函数峰值，得到对应的三维空间内风的速度、方位角信息；MUSIC算法的谱估计公式为：

将β视为定值带入A(θ,β,V)，变化θ和V，按上式计算谱函数，搜寻谱峰值得到实时的风速V和方位角θ的值；

利用所得的速度和方位角信息再次求谱函数，然后通过谱峰搜索得到俯仰角信息，即将所得的风速V和方位角θ的值视为定值重新带入A(θ,β,V)中，变化β，重新计算谱函数，搜寻谱峰值得到实时的俯仰角β的值。