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制造方法及图纸

本发明专利技术公开了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，为了解决市场上广泛使用的基于时差法的超声波测风仪在复杂环境下，易产生噪声、时间差测量不准确等带来的问题，本发明专利技术在测风原理上寻求突破，构件一种特殊形式的线性阵列结构，包括发射传感器和四个线性排列的接收传感器，通过外部驱动器驱动发射传感器产生超声波，接收传感器接收超声波，通过对阵列接收到的信号进行处理，抑制无用的噪声和干扰并提取有用的信号特征，结合波束形成算法对风速风向进行测量，有效地提高了测风系统的测量范围和测量精度。

Wind speed and direction measurement device and its measurement method based on ultrasonic linear array and beamforming algorithm

【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。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的外部驱动器为STM32系列单片机。上述的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。上述的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。上述的机壳下表面与安装立柱之间连接有加强筋。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，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的流型矢量，然后根据主瓣约束的自适应波束形成算法调节四路信号的权矢量ω(θ，V)，根据约束条件ωHα(θ，V)＝1，αHU＝0，求得风速V、风向与Y轴正向的夹角；步骤五：将计算结果保存至外部驱动器内，通过串口通信单元与上位机连接。上述的步骤二计算风速分量具体为：根据风速V，由线性阵列结构和几何关系可知，tanα＝d/2L，tanβ＝3d/2L，V1＝Vcos(θ-β)，V2＝Vcos(θ-α)，V3＝Vcos(θ+α)，V4＝Vcos(θ+β)，其中V1为第一接收传感器的风速分量，V2为第二接收传感器的风速分量，V3为第三接收传感器的风速分量，V4为第四接收传感器的风速分量。上述的步骤三具体为：根据超声波的传播速度c，发射传感器到接收传感器的距离Li(i＝1，2，3，4)，计算得到发射信号传播到各个传感器i的时间为：ti＝Li/(c+Vi)，对于同一平面内的传感器线性阵列结构，四个接收传感器i＝1，2，3，4阵元间信道一致、互不干扰，以第一接收传感器为基准阵元，基准阵元以及其余接收阵元的延迟分别为：τ1＝0其中，i＝1，2，3，4分别表示第一接收传感器，第二接收传感器，第三接收传感器，第四接收传感器；τ1为基准阵元的延迟，τ2为第二接收传感器与基准阵元的延迟，τ3为第三接收传感器与基准阵元的延迟，τ4为第四接收传感器与基准阵元的延迟；外部驱动器接收各个接收传感器送达的接收信号，则第i个阵元的接收信号为：xi(t)＝gis(t-τi)+ni(t)，其中：s(t)表示超声波信号，gi表示第i个阵元信号的增益，ni(t)表示第i个阵元在t时刻的噪声。上述的步骤四具体为：将接收信号以矢量形式输出，采样后的四维向量输出模型为：X(t)＝AS(t)+N(t)，其中，四维阵列输出矢量X(t)＝[x1(t)，...，x4(t])T，S(t)表示超声波信号，噪声数据矢量N(t)＝[n1(t)，...，n4(t])T，空间阵列的流型矢量根据流型矢量A，结合主瓣约束的自适应波束形成算法调节四路信号的权矢量ω(θ，V)，使满足ωHa(θ，V)＝1，aHU＝0，a为信号子空间的导向矢量，约束条件可以求得最小化问题的解其中：R为接收信号的相关矩阵，进一步，可得波束形成算法输出功率谱P，通过二维谱峰搜索，峰值点对应的(θ，V)即为要求的风速风向值。本专利技术的有益效果：与现有测风领域技术相比，本专利技术的有益效果是避免了时差法因噪声干扰及复杂环境下对时间差测量不精确的问题。设计超声波线性阵列结构，组成阵列的各传感器间各向同性、信号互不干扰。同时，硬件结构上采用32位的处理器，满足高速时钟信号的测量，结合波束形成算法调节阵列的权矢量，在测风原理上有所突破，在复杂环境或者强噪声环境下，可实现对全方位风向、低风速至高风速的精确测量。附图说明图1是本专利技术的线性阵列结构示意图；图2是装置外观结构示意图。附图标记为：安装立柱1、加强筋2、机壳3、支柱4、接收传感器5、发射传感器6。具体实施方式以下结合附图本文档来自技高网...

【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