[发明专利]弧形嵌套阵列的超声波测风结构和测风方法

权利要求书

1.弧形嵌套阵列的超声波测风结构，所述超声波测风结构由一个发射阵元和多个接收阵元构成，所述发射阵元和接收阵元均为超声波传感器；所有接收阵元排列在以发射阵元为圆心、R为半径的圆弧上，以形成接收阵列；其特征在于，所述接收阵列为非均匀阵列，接收阵列划分成按逆时针顺序排列的至少两个均匀子阵列，且每个均匀子阵列中的接收阵元数目大于2，每个均匀子阵列中的接收阵元等间距排布，不同均匀子阵列中的接收阵元间距不同，且相邻两个均匀子阵列中前一个均匀子阵列的末个接收阵元与后一个均匀子阵列的首个接收阵元间的夹角与前一个均匀子阵列中相邻两个接收阵元间的夹角相等，其中两个接收阵元间的夹角为两个接收阵元与发射阵元连线形成的夹角。

2.根据权利要求1所述的弧形嵌套阵列的超声波测风结构，其特征在于：接收阵列划分成按逆时针顺序排列的两个均匀子阵列，分别为均匀子阵列一和均匀子阵列二，均匀子阵列一和均匀子阵列二中的接收阵元数目都是3个；均匀子阵列一中相邻两个接收阵元间的夹角为α，α＝8°，均匀子阵列二中相邻两个接收阵元间的夹角为4α，4α＝32°，均匀子阵列二的首个接收阵元与均匀子阵列一的末个接收阵元间的夹角为α，α＝8°。

3.弧形嵌套阵列的超声波测风方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1或2所述的弧形嵌套阵列的超声波测风结构，具体包括：

步骤1、设定发射阵元数K＝1，接收阵元数为M＝6，根据所述弧形嵌套阵列的超声波测风结构中阵元的分布情况，通过矢量分解的方法将待测风信号进行分解，得到发射阵元与接收阵元连线方向上的分量，选定某个接收阵元为参考阵元，获取信号从发射阵元到各个接收阵元的时间与信号从发射阵元到参考阵元的时间，得到发射信号到达第i个接收阵元相对于发射信号到达参考阵元的时间延迟τ_i，从而得到弧形嵌套阵列的阵列流型矢量a(θ,V)，θ为风向角，V为待测风速；

步骤2、由于只有一个发射阵元，阵列流型矩阵A(θ,V)满足A(θ,V)＝a(θ,V)；阵列接收信号为：

X(t)＝A(θ,V)s(t)+N(t)

其中，X(t)为M×1维接收信号矢量，X(t)＝[x₁(t),.....x_M(t)]^T，其中x₁(t)为第1个接收阵元上的接收信号、x_M(t)为第M个接收阵元上的接收信号；A(θ,V)为阵列流型矩阵，T代表转置，f为发射的超声波频率，j为复数域中的虚数单位，τ₁为发射信号到达第1个接收阵元相对于发射信号到达参考阵元的时间延迟，τ_M为发射信号到达第M个接收阵元相对于发射信号到达参考阵元的时间延迟，N(t)为M×1维高斯白噪声数据矢量，N(t)＝[n₁(t),......n_M(t)]^T，其中n₁(t)为第1个接收阵元收到的高斯白噪声，n_M(t)为第M个接收阵元接收到的高斯白噪声；s(t)为发射的超声波信号，其中u(t)为接收信号的幅度，φ(t)为接收信号的相位，w₀＝2πf，w₀为接收信号的频率；

步骤3、根据PM算法，得到阵列接收信号X(t)的协方差矩阵，计算出传播算子P，推导出噪声子空间，得到空间谱函数；

具体过程如下：

R_x＝E［X(t)X(t)^H］＝A(θ,V)E[s(t)s(t)^H］A^H(θ,V)+E［N(t)N(t)^H］

其中，X(t)为阵列接收信号矢量，X(t)^H为阵列接收信号矢量的共轭转置，A(θ,V)为阵列流型矩阵，A^H(θ,V)为阵列流型矩阵的共轭转置，s(t)为发射的超声波信号，s(t)^H为发射的超声波信号的共轭转置，N(t)为高斯白噪声矢量，N(t)^H为高斯白噪声矢量的共轭转置，E［X(t)X(t)^H］表示求阵列接收信号X(t)与其共轭转置X(t)^H的期望，E［s(t)s(t)^H］表示求发射的超声波信号s(t)与其共轭转置s(t)^H的期望，E［N(t)N(t)^H]表示求高斯白噪声矢量N(t)与其共轭转置N(t)^H的期望；

对阵列流型矩阵A(θ,V)分块处理：

式中，A₁(θ,V)为K×K维矩阵；A₂(θ,V)为(M-K)×K维矩阵；

确定一个传播算子P，使P^HA₁(θ,V)＝A₂(θ,V)，其中P^H为传播算子P的共轭转置；通过阵列输出的协方差矩阵估计传播算子P，将协方差矩阵R_x＝E[X(t)X(t)^H]分块处理变成：R_x＝(G,D)，式中，G＝(:,K)，D＝R_x(:,K+1:M)，即G为协方差矩阵的第1列，D为协方差矩阵的后M-1列；

定义一个M×(M-K)维估计矩阵Q，令其中I_M-K为M-K维的单位矩阵，此时Q^HA(θ,V)＝0,Q^H为估计矩阵Q的共轭转置，Q与阵列流型矩阵A(θ,V)正交，相当于Q为噪声子空间，即U_N＝Q；

令GP＝D，使最小化代价函数最小，其中表示计算矩阵D-GP的F-范数的平方，得到传播算子的估计值G^H为G的共轭转置，从而得到估计矩阵的估计值为此时噪声子空间由阵列流型和噪声子空间计算空间谱函数：

其中，A(θ,V)为阵列流型矩阵，U_N为噪声子空间，A^H(θ,V)为阵列流型矩阵A(θ,V)的共轭转置，为噪声子空间U_N的共轭转置；

步骤4、将空间谱函数P_PM(θ,V)作为遗传算法中的适应度函数，通过对谱峰全局寻优，找到适应度函数最大时所对应的最优个体，输出最优个体，即所求的最优风参数，得到所估计的风向风速。

4.根据权利要求3所述的弧形嵌套阵列的超声波测风方法，其特征在于：所述遗传算法，选定种群规模NP＝100，交叉概率选定为P_c＝0.6，变异概率选定为P_m＝0.05，最大进化代数为GP＝100。