[发明专利]基于反射式超声波传感器阵列的风速风向测量方法

权利要求书

1.基于反射式超声波传感器阵列的风速风向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立超声波传感器阵列模型：超声波传感器阵列包括一个超声波发射传感器和八个超声波接收传感器，超声波发射传感器作为发射阵元O′用于发射超声波信号，八个超声波接收传感器用于接收超声波发射传感器所发射的超声波信号，八个超声波接收传感器分别为超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D、超声波接收传感器A′、超声波接收传感器B′、超声波接收传感器C′、超声波接收传感器D′，超声波接收传感器A作为接收阵元A，超声波接收传感器B作为接收阵元B，超声波接收传感器C作为接收阵元C，超声波接收传感器D作为接收阵元D，超声波接收传感器A′作为接收阵元A′、超声波接收传感器B′作为接收阵元B′、超声波接收传感器C′作为接收阵元C′、超声波接收传感器D′作为接收阵元D′，接收阵元A′、接收阵元B′、接收阵元C′及D′呈正方形排布，接收阵元A′和接收阵元C′之间的连线与接收阵元B′和接收阵元D′之间的连线相互垂直，且交点处为发射阵元所在位置；接收阵元A′与发射阵元O′连线的中点与接收阵元A共线，接收阵元B′与发射阵元O′连线的中点与接收阵元B共线，接收阵元C′与发射阵元O′连线的中点与接收阵元C共线，接收阵元D′与发射阵元O′连线的中点与接收阵元D共线；

所述接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C及接收阵元D所组成的阵列设为子阵列O1，并将子阵列O1中的接收阵元A设为子阵列O1中的参考阵元；

所述接收阵元A′、接收O′阵元B′、接收阵元C′及接收阵元D′所组成的阵列设为子阵列O2，并将子阵列O2中的接收阵元A′设为子阵列O2中的参考阵元；

(2)获取步骤(1)中所述发射阵元O′所发射的超声波信号到达所述的子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C、接收阵元D时，相对于发射阵元O′所发射的超声波信号到达所述的子阵列O1中参考阵元的时间延迟数据；

(3)获取步骤(1)中所述发射阵元O′所发射的超声波信号到达所述的子阵列O2中接收阵元A′、接收阵元B′、接收阵元C′及接收阵元D′时，相对于发射阵元O′所发射的超声波信号到达所述的子阵列O2中参考阵元的时间延迟数据；

(4)采集子阵列O1和子阵列O2构成的超声波传感器阵列所接收的含有风速风向信息的超声波信号，并将该超声波信号作为阵列数据；

(5)根据所述步骤(2)和步骤(3)中的时间延迟数据及所述步骤(4)中的阵列数据，采用波束形成算法进行风参数的测量，得到待测的风速风向值；

其中，步骤(2)中所述时间延迟数据经过如下过程获得：

获取所述超声波信号从发射阵元O′向所述子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C及接收阵元D传播方向上的传播速度；所述超声波信号在向接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C及接收阵元D传播时的传播速度为：

其中c为修正后的超声波传播速度，V_A、V_B、V_C、V_D分别为平面风在超声波信号传播路径O′-A、O′-B、O′-C、O′-D上的风速矢量分量；在平面风所在平面上建立直角坐标系xoy，由于风在x轴方向上的分量V_x影响在传播路径为O′-A-A′和传播路径为O′-C-C′的超声波信号传播情况，而O′-A与x轴正方向的夹角为45°，O′-C与x轴正方向的夹角为135°，因此受风影响之后的超声波信号在传播路径O′-A和传播路径为O′-C上的传播速度分别为：

其中V_x为风在轴方向上x的矢量分量：

V_x＝Vsinθ (3)

其中V为待测风的风矢量速度，θ为风向，即风的来向与x轴正方向之间的夹角；

风在y轴方向上的分量V_y影响在传播路径为O′-B-B′和传播路径为O′-D-D′的超声波信号传播情况，而O′-B与y轴正方向的夹角为45°，O′-D与y轴正方向的夹角为135°，因此受风影响之后的超声波信号在传播路径O′-B和传播路径为O′-D上的传播速度分别为：

其中V_y为风在y轴方向上的矢量分量：

V_y＝Vcosθ (5)

其中V为待测风的风矢量速度，θ为风向，即风的来向与y轴正方向之间的夹角；

由此可得，所述超声波信号从发射阵元O′向接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C及接收阵元D传播时的传播速度为：

则超声波信号从发射阵元O′向接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C及接收阵元D传播时的传播时间为：

其中L为发射阵元O′与所述子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C、接收阵元D之间的距离,为θ待测风的风向，V为待测风的风矢量速度，c为校正之后的超声波传播速度，t_o′-A为超声波信号从发射阵元O′向接收阵元A传播时的传播时间，t_o′-B为超声波信号从发射阵元O′向接收阵元B传播时的传播时间，t_o′-C为超声波信号从发射阵元O′向接收阵元C传播时的传播时间，t_o′-D为超声波信号从发射阵元O′向接收阵元D传播时的传播时间；

则发射阵元O′所发射的超声波信号到达所述子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C及接收阵元D时，相对于发射阵元O′所发射的超声波信号到达所述的子阵列O1中参考阵元的时间延迟数据为：

τ_O′-A＝0

其中L为发射阵元O′与所述子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C、接收阵元D之间的距离,θ为待测风的风向，V为待测风的风矢量速度，c为校正之后的超声波传播速度，τ_O′-A表示所述超声波信号到达所述子阵列O1中接收阵元A时与所述超声波信号到达所述子阵列O1中参考阵元时的时间差；τ_O′-B表示所述超声波信号到达所述子阵列O1中接收阵元B时与所述超声波信号到达所述子阵列O1中参考阵元时的时间差；τ_O′-C表示所述超声波信号到达所述子阵列O1中所述接收阵元C时与所述超声波信号到达所述子阵列O1中参考阵元时的时间差；τ_O′-D表示所述超声波信号到达所述子阵列O1中所述接收阵元D时与所述超声波信号到达所述子阵列O1中参考阵元时的时间差；

其中，步骤(3)中所述时间延迟数据经过如下过程获得：

由于风在超声波信号传播路径A-A′、B-B′、C-C′、D-D′上的风矢量分量与风在超声波信号传播路径O′-A、O′-B、O′-C、O′-D上的风矢量分量相等，超声波信号在传播路径O′-A-A′、O′-B-B′、O′-C-C′、O′-D-D′上的传播速度保持不变；超声波信号从发射阵元O′向接收阵元A′、接收阵元B′、接收阵元C′、接收阵元D′传播时的传播时间为：

其中L为发射阵元O′与所述子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C、接收阵元D之间的距离,θ为待测风的风向，V为待测风的风矢量速度，c为校正之后的超声波传播速度，t_o′-A′为超声波信号从发射阵元O′向接收阵元A′传播时的传播时间，t_o′-B′为超声波信号从发射阵元O′向接收阵元B′传播时的传播时间，t_o′-C′为超声波信号从发射阵元O′向接收阵元C′传播时的传播时间，t_o′-D′为超声波信号从发射阵元O′向接收阵元D′传播时的传播时间；

则发射阵元O′所发射的超声波信号到达所述子阵列O2中接收阵元A′、接收阵元B′、接收阵元C′及接收阵元D′时，相对于发射阵元O′所发射的超声波信号到达所述子阵列O2中参考阵元的时间延迟数据为：

其中L为发射阵元O′与所述子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C、接收阵元D之间的距离,θ为待测风的风向，V为待测风的风矢量速度，c为校正之后的超声波传播速度，τ_o′-A′表示所述超声波信号到达所述子阵列O2中接收阵元A′时与所述超声波信号到达所述子阵列O2中参考阵元时的时间差；τ_o′-B′表示所述超声波信号到达所述子阵列O2中接收阵元B′时与所述超声波信号到达所述子阵列O2中参考阵元时的时间差；τ_o′-C′表示所述超声波信号到达所述子阵列O2中接收阵元C′时与所述超声波信号到达所述子阵列O2中参考阵元时的时间差；τ_o′-D′表示所述超声波信号到达所述子阵列O2中接收阵元D′时与超声波信号到达所述子阵列O2中所述参考阵元时的时间差；

其中，步骤(4)中阵列数据经过如下过程获得：

根据公式(11)确定所述发射阵元O′发射的超声波信号，其中超声波信号为单频窄带信号；所述公式(11)为：

s(t)＝u(t)e^j[wt+φ(t)] (11)

式(11)中，s(t)表示发射阵元O′发射的超声波信号表示形式，u(t)为所述超声波信号的幅度，φ(t)为所述超声波信号的相位；w＝2πf，f为发射超声波信号的频率,j表示复数域中的虚数单位，t表示时间，τ为时间延迟；则经过时间延迟τ之后，超声波信号的表示形式s(t-τ)，满足公式(12)：

s(t-τ)＝s(t)e^-jwτ (12)

根据公式(13)得到所述子阵列O1所接收阵列数据；所述公式(13)为：

其中L为发射阵元O′与所述子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C、接收阵元D之间的距离,θ为待测风的风向，V为待测风的风矢量速度，c为校正之后的超声波传播速度，为子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C、接收阵元D上的阵元接收噪声，且噪声为加性高斯白噪声，接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C及接收阵元D的噪声相互独立，n_A(t)为子阵列O1中接收阵元A上的加性高斯白噪声，n_B(t)为子阵列O1中接收阵元B上的加性高斯白噪声，n_C(t)为子阵列O1中接收阵元C上的加性高斯白噪声，n_D(t)为子阵列O1中接收阵元D上的加性高斯白噪声；

根据公式(13)，获取子阵列O1的阵列流型矢量；所述的子阵列O1的阵列流型矢量为：

根据公式(13)和公式(14)得到所述子阵列O2所接收阵列数据；所述子阵列O2所接收的阵列数据为：

其中L为发射阵元O′与所述子阵列O1中接收阵元A、接收阵元B、接收阵元C、接收阵元D之间的距离,θ为待测风的风向，V为待测风的风矢量速度，c为校正之后的超声波传播速度，为子阵列O2中向接收阵元A′、接收阵元B′、接收阵元C′、接收阵元D′上的阵元接收噪声，且噪声为加性高斯白噪声，接收阵元A′、接收阵元B′、接收阵元C′及接收阵元D′的噪声相互独立，n_A′(t)为子阵列O2中接收阵元A′上的加性高斯白噪声，n_B′(t)为子阵列O2中接收阵元B′上的加性高斯白噪声，n_C′(t)为子阵列O2中接收阵元C′上的加性高斯白噪声，n_D′(t)为子阵列O2中接收阵元D′上的加性高斯白噪声；

根据公式(15)得到子阵列O2的阵列流型矢量；所述子阵列O2的阵列流型矢量为：

根据公式(13)和公式(15)得到超声波传感器阵列的阵列数据如下：

其中，所述步骤(5)中获取风速风向值的具体过程如下：根据公式(17)获取超声波传感器阵列的阵列流型矢量；所述的阵列流型矢量为：

根据波束形成算法获得所需的加权矢量为：

根据公式(19)超声波传感器阵列的加权矢量得到所述的超声波传感器阵列输出功率的计算公式为：

P(θ,V)＝W^HRW＝a^H(θ,V)Ra(θ,V) (20)

其中R为阵列数据矩阵X(t)的协方差矩阵，即R＝[X(t)X^H(t)]，a^H(θ,V)表示复数矩阵a(θ,V)的共轭转置，W^H表示复数矩阵W的共轭转置，X^H(t)表示阵列数据矩阵X(t)的共轭转置；

根据所述阵列数据和公式(20)，计算所述超声波传感器阵列输出功率的最大值，并将所述超声波传感器阵列输出功率最大值所对应的风速风向确定为待测的风速风向值。