CN116559493B - 使用多载频信号测量风速风向的方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

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。

(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_nU_n ^H，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；

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。

(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。

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。

使用多载频信号测量风速风向的设备，包括：

能够发射和接收多载频信号的阵元；

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；

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。

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。

本发明的有益效果是:

1、本发明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，本发明设计的测风系统具有很强的抗干扰性。

2、本发明中利用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，使得所发明的系统能够在存在噪声和干扰的复杂环境中，实现准确的信号参数估计和高分辨率的信号分离。因此，本发明中风速风向测量数据具有高精度性和高可靠性。

3、本发明系统所设计的算法主要基于协方差矩阵的特征分解，不需要进行复杂的迭代计算和优化过程。因此，本发明设计的测风系统具有较低的计算复杂度和实时性。

4、传统上基于超声波测风速的原理主要是基于时差法，即必须测量超声波在空气中的飞行时间，进而计算风速，但由于超声波信号初始幅值非常微弱等特点，导致飞行时间很难精确获得，使得风速测量存在较大的误差。本发明设计的风速风向测量方法不需要精确知道声波传播的时间，就可以准确估算出三维空间中的风速风向。

综上所述，本发明设计的风速风向测量系统具有抗干扰能力强、测量精度高、可靠性好、系统复杂性低、实时性强等优点，并且不需要精确知道声波飞行时间，就可以获得与真实风速风向接近的高精度测量结果。

附图说明

图1是三对阵元在空间中的坐标配置；其中，图1中的(a)是接收时在空间中的坐标配置示意图，图1中的(b)是发射时在空间中的坐标配置示意图。

图2是本发明的流程图。

图3是本发明实施例进行仿真实验500次测得的三维风速误差。

图4是本发明实施例进行仿真实验500次测得的角误差。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。以下例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

参照图2，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。每个阵元都发射多载频信号，其方向上对向阵元采集该信号，提取不同载频上的信号分量。由于载频之间具有频差，不同载频所对应的信号分量在传播相同距离后会产生不同的相位延迟。

具体内容如下:

首先在空间中布置三对阵元，分别为s₁、t₁、s₂、t₂、s₃、t₃。其中，s₁、s₂、s₃和t₁、t₂、t₃分别所属空间中两个平行的平面圆上，[s_i/t_i]₃(i＝1,2,3)为三对阵元，每对阵元的连线指向空间中的三个方向，方向1为s₁/t₁对，方向2为s₂/t₂对，方向3为s₃/t₃对。方向1、方向2、方向3在空间中互不相关。并且每对阵元在空间中间距大小相等，均为d₀。三维空间中阵元坐标配置如图1所示，x为北向，y为东向。

(2)、每个阵元都可以发射和接收信号，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：

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：

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)、每个阵元接收该阵元所在方向对向阵元所发射过来的多载频信号，用所提取的多个载频上的频率分量构建协方差矩阵，将信号特征分解成信号子空间和噪声子空间，提取噪声子空间的特征向量构建噪声协方差矩阵，在协方差矩阵中提取噪声信号的特征值对应的特征向量，组成噪声子空间，利用Root-MUSIC法通过噪声协方差矩阵定义多项式并求根，提取距离单位圆最近的根，利用该根进一步推算该阵元与其对向阵元方向上声速和风速矢量和的测量结果，最终将三个方向上的风速风向矢量合成三维空间中真实的风速风向。

具体内容如下:

利用M个离散的频率分量X构建协方差矩阵R：

R＝XX^H (5)

其中，H表示共轭转置。

将R进行特征值分解，分解出信号子空间U_s和噪声子空间U_n，对噪声子空间进行分割重组，其多项式的系数形式为：

式中，U_n1是n×(M-N)矩阵，而U_n2是(M-N)×(M-N)矩阵，这样可以构造如下矩阵多项式：

对上式求根，得到N-1个根，取距离单位圆最近的根计算信号到达方向角θ：

再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。

以方向1为例，超声波顺风发射，用上述方法估算结果为：

c_s＝c₀+v₀ (10)

超声波逆风发射，用上述方法估算结果为：

c_n＝c₀-v₀ (11)

联立式(8)和(9)，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。

用上述方法，同理可得方向2和方向3上的风速风向v₁、v₂。

(4)、将方向1上测得的风速风向v₀、方向2上测得的风速风向v₁、方向3上测得的风速风向v₂矢量合成，得到三维空间中的真实风速风向v。

通过计算机数值仿真给出了本发明中方法的风速风向测量结果，以此证明了本发明所提方法可以在时间误差存在的前提下获得更高精度的风速风向测量结果。

设声波在空气中传播的真实速度为342.974米/秒，空间中的风速大小为12.24米/秒，风攻角为15.45°，风偏角为65.73°。

空间中三对阵元坐标位置按照图1所示配置，设d为0.05米，则s₁、s₂、s₃、t₁、t₂、t₃的坐标分别为(0.05，0，0)、(-0.025，-0.0433，0)、(-0.025，0.0433，0)、(-0.05，0，0.1732)、(0.025，0.0433，0.1732)、(0.025，-0.0433，0.1732)。三对阵元分别为s₁/t₁、s₂/t₂、s₃/t₃，每对阵元间距为0.2米。每个方向上的两个阵元依次互相发射并接收多载频信号，其中发射的多载频信号是具有5个载频的信号，其中5个载频分别为196kHz、198kHz、200kHz、202kHz和204kHz。信号接收时采样频率设为10MHz，接收功率信噪比设为20dB，所加噪声为高斯白噪声。

由于不精确知道速度的真实值，只知道风速和声速矢量和大概范围，因此将速度范围设为280米/秒到400米/秒。同时，发射端和接收端的时间同步误差设为0.1毫秒。

通过500次仿真实验，测量结果的均方根误差如图3、图4所示。三维风速测量均方根误差为0.17241，风攻角和风偏角均方根误差分别为0.036278和0.081318。从仿真实验结果可知，本发明方法不受时间误差的影响，测量结果均方根误差非常小，能获得比传统时差法更精确的风速风向测量结果。

基于上述方法，本发明实施例还提供一种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。

基于上述方法，本发明实施例还提供一种使用多载频信号测量风速风向的设备，包括：

能够发射和接收多载频信号的阵元；

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；

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。

基于上述方法，本发明实施例还提供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。

根据实施例，与现有技术相比，本发明中所提出的利用多载频信号进行风速风向测量的方法，不需要精确知道声波飞行时间，就可以获得与真实风速风向接近的高精度测量结果，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。

Claims (5)

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；

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；

(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_nU_n ^H，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，步骤(3)中，当超声波顺风发射，估算速度为c_s＝c₀+v₀，超声波逆风发射，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。

3.使用多载频信号测量风速风向的系统，其特征在于，包括能够发射和接收多载频信号的阵元、包括用于执行权利要求1-2任意一项所述的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。

4.使用多载频信号测量风速风向的设备，其特征在于，能够发射和接收多载频信号的阵元，包括存储器和处理器；

存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时能够实现权利要求1-2任意一项所述的使用多载频信号测量风速风向的方法；

处理器：用于执行权利要求1-2任意一项所述的用多载频信号测量风速风向的方法。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，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权利要求1-2任意一项所述的使用多载频信号测量风速风向的方法。