[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

说明书

使用多载频信号测量风速风向的方法、系统、设备及介质，方法包括：先配置阵元坐标；再发射并采集多载频信号；每个阵元都发射多载频信号，与其相对的阵元采集该信号，并提取不同载频上的信号分量，得到不同载频所对应的信号分量在传播相同距离后产生的不同相位延迟；然后构建协方差矩阵，用Root‑MUSIC法估计三对阵元方向上的风速风向；最后矢量合成真实空间风速风向；本发明还包括基于该测量风速风向的方法的系统、设备及介质；本发明不需精确知道声波传播的时间，可以获得与真实风速值接近的高精度测量结果，具有抗干扰能力强、测量精度高、可靠性好、系统复杂性低、实时性强等优点。

技术领域

本发明属于阵列信号处理技术领域，特别涉及一种使用多载频信号测量风速风向的方法、系统、设备及介质。

背景技术

风是自然界中最常见的一种自然现象，在气象、军事、舰船航行、航空航天、风能发电、铁路桥梁、城市与森林消防等领域，均需要对风速进行测量工作[徐昊德2016.基于ARM11的高精度超声波风速测量仪的设计[M].南京信息工程大学]。因此，更加精确的测量风速具有很大的现实意义。

利用超声波信号在气体中的传播速度受风的影响来对风速大小进行测量，是超声波应用技术在气体介质中的一种体现。和常用的机械式风速仪不同，超声波测量最大的优点是整个测风系统不需要依靠机械材质的转动，没有惯性的影响，不需要考虑测量器件的磨损，能准确的测量出被测风场的风速信息[参考文献：邹云龙and徐雪战2017.超声波传感技术的矿用多通道智能风速风向仪[M],传感器与微系统:108-111]。

目前，利用超声波测风速的方法主要是时差法[参考文献：黄吉葵2019.高精度超声波风速风向仪测量系统设计与实现[M].电子科技大学]，其原理是在固定的一段距离中，分别确定超声波在顺风和逆风情况下的飞行时间，进而得到风速大小和方向。但是由于回波信号初始幅值非常小，导致超声波在空气中的飞行时间很难精确得到，所以这种方法测得的风速大小往往存在较大的误差。

申请号为CN202210042909.8、名称为基于特征波提取的超声波测风电路、方法及测风器的发明，其通过提取回波信号中的特征波来确定超声波在空气中的飞行时间，这种方式在一定程度上的确可以提高基于时差法推算出的风速，但是在复杂场景下会存在较多的干扰，很容易导致特征波提取不准确，进而造成更大的声波飞行时间误差。因此，基于时差法测得的风速往往存在较大的误差。

发明内容

为了克服时差法因时间误差而导致的风速测量误差，本发明的目的在于提供一种使用多载频信号测量风速风向的方法、系统、设备及介质，利用多载频信号频率不同，在传播相同距离后会产生不同相移的特点，构建多载频信号的协方差矩阵，通过Root-MUSIC算法估计风速风向，具有抗干扰能力强、测量精度高、可靠性好、系统复杂性低、实时性强的优点，并且不需要声波飞行时间，就可以获得与真实风速风向接近的高精度测量结果。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为:

使用多载频信号测量风速风向的方法，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。