三维空间来风的风速测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种三维空间来风的风速测量系统及方法，所述三维空间来风的风速测量系统包括：第一超声波传感器；四个第二超声波传感器，各第二超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy平面内，均匀排列形成第一四元弧阵列；四个第三超声波传感器，各第三超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列形成第二四元弧阵列；数据处理器，分别与各所述第二超声波传感器、各所述第三超声波传感器连接。本发明专利技术通过一发八收的超声波传感器阵列进行风速风向检测，无转动部件，对风信息的改变反应灵敏，无机械磨损，维护成本低，使用寿命长，进而通过数据处理器确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角，快速准确，精度高。 1

Measurement system and method of wind speed in three-dimensional space

The present invention discloses a wind speed measurement system and method for three-dimensional space air. The wind speed measurement system of the three dimensional space is composed of a first ultrasonic sensor, four second ultrasonic sensors and second ultrasonic sensors with the first ultrasonic sensor as the original point O, and in the xoy plane, the first ultrasonic sensor is evenly arranged to form the first ultrasonic sensor. The 14 element arc array; four third ultrasonic sensors and third ultrasonic sensors with the first ultrasonic sensor as the original point O; in the YOZ plane, the 24 element arc array is arranged evenly in the YOZ plane; the data processor is connected to the second ultrasonic sensors and the third ultrasonic sensors respectively. The invention uses a eight received ultrasonic sensor array to detect wind speed and wind direction, without rotating components, sensitive to the change of wind information, no mechanical wear, low maintenance cost, long service life, and then to determine the wind speed, azimuth and pitch angle in the three-dimensional space through a data processor, fast and accurate and accurate. The degree is high. One

【技术实现步骤摘要】
三维空间来风的风速测量系统及方法
本专利技术涉及三维测风
，特别是涉及一种三维空间来风的风速测量系统及方法。
技术介绍
风是一种很常见的自然现象，在气象、航空、军事、高铁、航海和武器发射校准等方面，对风速和风的空间来向的准确测量要求很高。目前国内市场上主要有非超声波测风仪和超声波测风仪两大类。非超声波测风仪主要包括机械式测风仪、热敏式测风仪、多普勒激光测风仪等。其中机械式测风仪则由于其内部含有转动模块，故而反应速度慢，有机械磨损，且容易损坏，寿命较短，而且还只能测试出二维空间中风速风向信息，但优点在于成本较低。而热敏式测风仪则由于原理缺陷，其测量范围和测量精度都较低。其优点是体积小，有可伸缩探头，可在小空间内进行测量。多普勒激光测风仪一般成本高昂，体积偏大，多是通过车载移动，常用在大型活动的气象探测，难以推广，但其优点是采集信息范围广，数据精确。相对与非超声波测风仪来说，超声波测风仪的市场占有率更大，超声波测风仪也有一维、二维、三维之分，且随着维度的增加，其价格也逐渐变得昂贵。其中超声波一维测风仪和超声波二维测风仪相对于非超声波测风仪来说，测量精度会较高，且体积小，容易便携，但并不能获取空间中来风的三维信息，在某些领域并不适用；而对于超声波三维测风仪来说，获取的空间风信息更多。但目前市场上超声波三维测风仪，还大多是基于时差法来测量出x,y,z轴上的速度分量，在通过空间矢量合成来得到空间来风的信息，其测量精度较大程度上依赖于对超声波信号从发射超声波信号的传感器传播到接收超声波信号的传感器之间的传播时间(即度越时间)的测量精度，和硬件的工作性能，影响因素较多，导致测量精度较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维空间来风的风速测量系统及方法，可提高在三维空间中的测量精度。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种三维空间来风的风速测量系统，所述三维空间来风的风速测量系统包括：第一超声波传感器，用于发射超声波信号；四个第二超声波传感器，各所述第二超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy平面内，均匀排列形成第一四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；四个第三超声波传感器，各所述第三超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列形成第二四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；数据处理器，分别与各所述第二超声波传感器、各所述第三超声波传感器连接，用于根据各所述第二超声波传感器接收到的超声波信号以及各所述第三超声波传感器接收到的超声波信号，确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角。可选的，所述数据处理器为STM32系列的单片机。可选的，各所述第二超声波传感器到第一超声波传感器的距离、各所述第三超声波传感器到第一超声波传感器的距离的分别为10cm。可选的，所述第一四元弧阵列中相邻两个第二超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角、所述第二四元弧阵列中相邻两个第三超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角分别为20°。可选的，所述第一超声波传感器的型号为MA40S4S，各所述第二超声波传感器、各所述第二超声波传感器的型号分别为MA40S4R。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种三维空间来风的风速测量方法，所述三维空间来风的风速测量方法包括：以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy平面内，均匀排列四个第二超声波传感器形成第一四元弧阵列，以接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列四个第三超声波传感器形成第二四元弧阵列，以接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；根据各所述第二超声波传感器接收到的超声波信号以及各所述第三超声波传感器接收到的超声波信号，确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角。可选的，所述确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角，具体包括：选取不同的空间风投影在xoy平面上的水平风速分量和在xoy平面的风的水平方位角及对应的空间风投影在yoz平面上的垂直风速分量和在yoz平面上的风的垂直方位角；针对每一组空间风投影在xoy平面上的水平风速分量和在xoy平面的风的水平方位角，根据所述第一四元弧阵列中的四个第二超声波传感器接收的超声波信号，计算所述第一四元弧阵列的第一输出功率；多个第一输出功率形成第一输出功率谱；从所述第一输出功率谱中选出最大的第一输出功率，并确定所述最大的第一输出功率对应的空间风投影在xoy平面上的水平风速分量V1和在xoy平面的风的水平方位角θ；针对每一组空间风投影在yoz平面上的垂直风速分量和在yoz平面上的风的垂直方位角，根据所述第二四元弧阵列中的四个第三超声波传感器接收的超声波信号，计算所述第二四元弧阵列的第二输出功率；多个第二输出功率形成第二输出功率谱；从所述第二输出功率谱中选出最大的第二输出功率，并确定所述最大的第二输出功率对应的空间风投影在yoz平面上的垂直风速分量V2和在yoz平面上的风的垂直方位角根据所述水平风速分量V1、水平方位角θ、垂直风速分量V2及垂直方位角确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角。可选的，所述计算所述第一四元弧阵列的第一输出功率，具体包括：根据以下公式确定所述第一四元弧阵列的输出信号：x1(t)＝A1s(t)+n1(t)；τ11＝0；其中，x1(t)表示第一四元弧阵列中的四个第二超声波传感器的输出信号形成的输出信号矢量阵列，s(t)表示第一超声波传感器发射的超声波信号阵列，n1(t)表示四个第二超声波传感器的接收到的噪声信号形成的噪声矢量阵列，A1表示第一四元弧阵列的流型矢量；τ1j表示第一四元弧阵列中的各第二超声波传感器与第一基准阵元之间的时延，下角标1j为各第二超声波传感器的位置标号，j＝1,2,3,4，第一基准阵元为位置标号为11的第二超声波传感器，R表示各第二超声波传感器到第一超声波传感器的距离，c表示理想情况下声波的传播速度，α表示在第一四元弧阵列中的相邻两个的第二超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角；w＝2πf为发射的超声波信号阵列的相角度幅度，f＝40kHz为发射的超声波信号阵列的频率；根据以下公式计算第一四元弧阵列的输出功率P1(θ,V1)：P1(θ,V1)＝aH(θ,V1)K1a(θ,V1)；K1＝E(x1(t)x1H(t))；其中，K1表示第一四元弧阵列的输出信号x1(t)的协方差矩阵，H表示共轭矩阵，E(·)表示期望函数。可选的，所述计算所述第二四元弧阵列的第二输出功率，具体包括：根据以下公式确定所述第二四元弧阵列的输出信号：x2(t)＝A2s(t)+n2(t)；τ21＝0；其中，x2(t)表示第二四元弧阵列中的四个第三超声波传感器的接收信号形成的输出信号矢量阵列，s(t)表示第一超声波传感器发射的超声波信号阵列，n2(t)表示四个第三超声波传感器的接收到的噪声信号形成的噪声矢量阵列，A2表示第二四元弧阵列的流型矢量；τ2j表示第二四元弧阵列中的各第三超声波传感器与第二基准阵元之间的时延，下角标2j为各第三超声波传感器的位置标号，j＝1,2,3,4，第二基准阵元为位置标号为21的第三超声波传感器，R表示各第三超声波传感器到第一超声波传感器的距离，c表示理想情况下声波的传播速度，α表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，所述三维空间来风的风速测量系

【技术特征摘要】
1.一种三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，所述三维空间来风的风速测量系统包括：第一超声波传感器，用于发射超声波信号；四个第二超声波传感器，各所述第二超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy平面内，均匀排列形成第一四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；四个第三超声波传感器，各所述第三超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列形成第二四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；数据处理器，分别与各所述第二超声波传感器、各所述第三超声波传感器连接，用于根据各所述第二超声波传感器接收到的超声波信号以及各所述第三超声波传感器接收到的超声波信号，确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角。2.根据权利要求1所述的三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，所述数据处理器为STM32系列的单片机。3.根据权利要求1所述的三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，各所述第二超声波传感器到第一超声波传感器的距离、各所述第三超声波传感器到第一超声波传感器的距离的分别为10cm。4.根据权利要求1所述的三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，所述第一四元弧阵列中相邻两个第二超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角、所述第二四元弧阵列中相邻两个第三超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角分别为20°。5.根据权利要求1所述的三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，所述第一超声波传感器的型号为MA40S4S，各所述第二超声波传感器、各所述第二超声波传感器的型号分别为MA40S4R。6.一种三维空间来风的风速测量方法，其特征在于，所述三维空间来风的风速测量方法包括：以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy平面内，均匀排列四个第二超声波传感器形成第一四元弧阵列，以接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列四个第三超声波传感器形成第二四元弧阵列，以接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；根据各所述第二超声波传感器接收到的超声波信号以及各所述第三超声波传感器接收到的超声波信号，确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角。7.根据权利要求6所述的三维空间来风的风速测量方法，其特征在于，所述确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角，具体包括：选取不同的空间风投影在xoy平面上的水平风速分量和在xoy平面的风的水平方位角及对应的空间风投影在yoz平面上的垂直风速分量和在yoz平面上的风的垂直方位角；针对每一组空间风投影在xoy平面上的水平风速分量和在xoy平面的风的水平方位角，根据所述第一四元弧阵列中的四个第二超声波传感器接收的超声波信号，计算所述第一四元弧阵列的第一输出功率；多个第一输出功率形成第一输出功率谱；从所述第一输出功率谱中选出最大的第一输出功率，并确定所述最大的第一输出功率对应的空间风投影在xoy平面上的水平风速分量V1和在xoy平面的风的水平方位角θ；针对每一组空间风投影在yoz平面上的垂直风速分量和在yoz平面上的风的垂直方位角，根据所述第二四元弧阵列中的四个第三超声波传感器接收的超声波信号，计算所述第二四元弧阵列的第二输出功率；多个第二输出功率形成第二输出功率谱；从所述第二输出功率谱中选出最大的第二输...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新波，朱阁彦，王英伟，郭晨，西继东，刘帅，李厚禹，于润泽，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22