[发明专利]使用多载频信号测量风速风向的方法、系统、设备及介质

权利要求书

1.使用多载频信号测量风速风向的方法，其特征在于，包括以下步骤:

(1)在三维空间中至少布置三对阵元，每个阵元都可以发射和接收多载频信号，并且发射的多载频信号相邻频差相等；

(2)、每个阵元都能够发射和接收信号，以方向1为例，假设在方向1上风速为v₀，风向为：从t₁到s₁；

顺风时，首先由t₁作为发射阵元发射多载频信号，所述的多载频信号由M个具有不同频率的单频信号组成，其频率为M×1维列向量f，其中，f₁为第一个载频信号的频率；s₁作为接收阵元接收多载频信号，提取每个载频分量的中心频率，得到M个离散的频率分量X，其中，x₁为提取出第一个载频信号的离散频率分量；M个离散的频率分量上的相位延迟为其中v₀为方向1上真实的风速值，c₀为无风状态下的声速值；

逆风时，s₁作为发射阵元发射多载频信号，t₁作为接收阵元接收多载频信号，同理可得M个离散的频率分量上的相位延迟

(3)、利用M个离散的频率分量X构建协方差矩阵R＝XX^H，其中，H表示共轭转置，利用Root-MUSIC法，首先对构建的协方差矩阵进行特征值分解，获得噪声子空间特征值对应的特征向量组成的矩阵U_n，得到噪声协方差矩阵G_n＝U_nU_n^H，然后定义多项式并求出多项式的根，提取距离单位圆最近的根计算信号方向到达角θ，根据相位与速度的关系进一步推算出该对阵元方向上声速与风速的矢量和c，其中c＝c₀+v，c₀为无风状态下的声速值，v为该方向上的风速大小，v本身的正负表示该对阵元方向上的风向；

(4)、将每个阵元方向上测得的风速风向矢量合成，得到三维空间中的真实风速风向v。

2.根据权利要求1所述的使用多载频信号测量风速风向的方法，其特征在于，在空间中至少布置三对阵元，表示为[s_i/t_i]_j(i＝1,2,3…,j≥3)，i表示第几对阵元，j表示布置阵元对的数目；其中，s_i和t_i分别分布在空间中两个平行的平面上，[s_i/t_i]_j(i＝1,2,3…,j≥3)为j对阵元，每对阵元的连线指向空间中的j个方向，方向1为s₁/t₁对，方向2为s₂/t₂对，方向3为s₃/t₃对，……，方向j为s_j/t_j对，j个方向在空间中互不相关，并保证每对阵元在空间中间距大小相等，均为d₀。

3.根据权利要求1所述的使用多载频信号测量风速风向的方法，其特征在于，步骤(3)中，当超声波顺风发射，估算速度为c_s＝c₀+v₀，超声波逆风发射，估算速度为c_n＝c₀-v₀，则可解得方向1上的风速大小v₀，其中v₀本身的正负表示方向1上的风向；同理可得方向2和方向3上的风速风向v₁、v₂。

4.使用多载频信号测量风速风向的系统，其特征在于，包括能够发射和接收多载频信号的阵元、包括用于执行权利要求1-3任意一项所述的使用多载频信号测量风速风向的方法中各个处理指令模块。