使用多载频信号测量风速风向的方法、系统、设备及介质技术方案

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

【技术实现步骤摘要】
使用多载频信号测量风速风向的方法、系统、设备及介质


[0001]本专利技术属于阵列信号处理
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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]。
[0004]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。
[0005]申请号为CN202210042909.8、名称为基于特征波提取的超声波测风电路、方法及测风器的专利技术，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。

技术实现思路

[0006]为了克服时差法因时间误差而导致的风速测量误差，本专利技术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。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为:
[0008]使用多载频信号测量风速风向的方法，包括以下步骤:
[0009](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。
[0010]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。
[0011](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；
[0012]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。
[0013]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
[0014](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
n
U
nH
，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；
[0015]以方向1为例，超声波顺风发射，用上述方法估算速度为c
s
＝c0+v0，超声波逆风发射，用上述方法估算速度为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。
[0016](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。
[0017]使用多载频信号测量风速风向的系统，包括能够发射和接收多载频信号的阵元、以及用于执行上述使用多载频信号测量风速风向的方法中各个步骤的处理指令模块。
[0018]使用多载频信号测量风速风向的设备，包括：
[0019]能够发射和接收多载频信号的阵元；
[0020]存储器：存储上述用多载频信号测量风速风向的方法的计算机程序，为计算机可读取的设备；
[0021]处理器：用于执行所述的用多载频信号测量风速风向的方法。
[0022]一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现所述的使用多载频信号测量风速风向的方法。
[0023]本专利技术的有益效果是:
[0024]1、本专利技术中各阵元发射和接收信号均为多载频信号，由于频率选择性衰落的存在，不同频率成分受到的干扰可能是不同的。多载频信号在频域上分布较宽，这种分布使得多载频信号具有较强的抗干扰能力，能够减少特定频率上的干扰对整个信号的影响。因此，本专利技术设计的测风系统具有很强的抗干扰性。
[0025]2、本专利技术中利用ROOT
‑
MUSIC算法构建基于多载频信号的协方差矩阵，通过分析协方差矩阵的特征值和特征向量能够有效地分离出信号子空间和噪声子空间，使得所专利技术的系统能够在存在噪声和干扰的复杂环境中，实现准确的信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
n
U
nH
，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
…...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏，吴庆辉，王威，孙霆，高婧洁，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：