【技术实现步骤摘要】
基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置及其测量方法
本专利技术属于风速风向检测
,具体涉及一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置及其测量方法。
技术介绍
风作为一种重要的自然现象,在现代生活中有着广泛的应用,由其在铁路、航空、气象等方面,风速、风向的精确测量至关重要。传统的机械式测风仪由于可测风速范围不高、易机械磨损、使用寿命短、维护成本高和精度较低等诸多缺点,逐渐被结构简单、测量范围宽、测量速度快、准确度高的超声波测风仪所取代。目前基于时差法的超声波测风仪被广泛应用于国内外科学实验和环境监测之中,而时差法的测量精度完全取决于对超声波传播时间的测量精度。比较典型的有“CN201510218835一种二维反射式超声波风速风向仪及测量方法”但在一些复杂的环境,如强电磁干扰和低信噪比的环境下,超声波传播时间的测量将变得比较困难甚至失效。阵列信号处理方法可以在复杂环境中对噪声进行有效抑制,设计超声波线性阵列结构,建立风速风向作用下的阵列接收模型,结合波束形成算法对风速风向进行计算。有效解决了时差法中时间差测量不精确等问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,提供一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置及其测量方法。为实现上述技术目的,本专利技术采取的技术方案为:一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置,其中:包括外部驱动器、发射传感器、四个接收传感器、滤波器、数模转换器和 ...
【技术保护点】
1.一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置,其特征在于:包括外部驱动器、发射传感器、四个接收传感器、滤波器、数模转换器和串口通信单元,所述发射传感器和接收传感器设置于机壳上对应两侧,所述机壳下方通过安装立柱连接固定,所述外部驱动器产生PWM波,通过控制三极管的通断来驱动发射传感器发射超声波信号,所述接收传感器用于接收超声波信号,该四个接收传感器呈等距线性排列,且以发射传感器为坐标原点关于y轴对称分布,所述滤波器将接收传感器接收的超声波信号进行两级放大滤波处理,数模转换器对超声波信号进行模数转换并将数字信号存储在外部驱动器内,所述外部驱动器通过串口通信单元与上位机连接。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置,其特征在于:包括外部驱动器、发射传感器、四个接收传感器、滤波器、数模转换器和串口通信单元,所述发射传感器和接收传感器设置于机壳上对应两侧,所述机壳下方通过安装立柱连接固定,所述外部驱动器产生PWM波,通过控制三极管的通断来驱动发射传感器发射超声波信号,所述接收传感器用于接收超声波信号,该四个接收传感器呈等距线性排列,且以发射传感器为坐标原点关于y轴对称分布,所述滤波器将接收传感器接收的超声波信号进行两级放大滤波处理,数模转换器对超声波信号进行模数转换并将数字信号存储在外部驱动器内,所述外部驱动器通过串口通信单元与上位机连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置,其特征在于:所述外部驱动器为STM32系列单片机。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置,其特征在于:还包括电源模块,所述电源模块包括外部电压源和降压电路组成,所述降压电路分别与外部驱动器、滤波器连接供电。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置,其特征在于:所述机壳上方设置有多个等高支柱,所述发射传感器和接收传感器均安装在立柱上。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量装置,其特征在于:所述机壳下表面与安装立柱之间连接有加强筋。
6.一种基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量方法,其特征在于:所述基于超声波线性阵列及波束形成算法的风速风向测量方法包括:
步骤一:以发射传感器为坐标原点,建立XOY平面坐标系,在Y轴负方向一侧从左至右依次等距线性排列第一接收传感器、第二接收传感器、第三接收传感器、第四接收传感器,每个接收传感器之间距离均为d,发射传感器与接收传感器线性阵列之间垂直距离为L,发射传感器与每个接收传感器之间的距离从左到右依次为L1,L2,L3,L4,第一接收传感器、第二接收传感器与第三接收传感器、第四接收传感器关于发射传感器和Y轴成轴对称分布,发射传感器和第二接收传感器与y轴负方向连线之间的夹角为α,发射传感器和第一接收传感器与Y轴负向连线之间的夹角为β,风向V与Y轴正向的夹角为θ;
步骤二:外部驱动器产生PWM波驱动发射传感器发射超声波信号,根据分速V、接收传感器的线性阵列结构以及几何关系计算得到各个接收传感器的分速风量,同时通过滤波器进行两级放大滤波处理,并用示波器进行检测,使峰值点突出;
步骤三:以第一接收传感器为基准阵元,先对接收信号进行模数转换,结合超声波信号、其余阵元相对于基准阵元的延迟以及阵元的噪声来计算各个阵元的接收信号;
步骤四:将接收信号以矢量形式输出,结合四维向量输出模型计算得到空间阵列...
【专利技术属性】
技术研发人员:叶小岭,陈畅,张颖超,刘威,李伟,
申请(专利权)人:南京信息工程大学,
类型:发明
国别省市:江苏;32
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