三维超声阵列风速风向测量方法
发布时间：2021-10-07 21:32
针对传统时差法测风精度受超声波传播时间测量精度直接影响的问题,提出了一种基于空间超声波传感器阵列及波束形成算法的三维风参数测量方法。使用一种新的一发多收的空间超声波传感器阵列结构,利用波束形成算法空域滤波,实现了增强期望信号、抑制干扰、提高测风精度的效果,仿真实验结果表明:在信噪比为5 dB时,所提方法几乎能达到100%的测量成功率,且信噪比越大,测量成功率越高,均方根误差越小。搭建了硬件实验平台对所提测风方法进行实验验证,结果表明:在允许结构误差和设备误差的前提下,所测风洞中的风速为6.363 7 m/s,与机械式测风仪所测结果6.443 m/s仅相差0.079 3 m/s,初步验证了所提方法的工程可行性。所提方法可为测风方法的探索提供一种新思路。
【文章来源】：西安交通大学学报. 2019,53(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１三维超声测风装置结构图
速度和超声波声速之间的关系，便能测量出风参数［１７］。由于超声波声速ｃ会受到传播介质的温度、湿度等因素的影响，因此有必要其进行修正来提高测风装置的测量精度［１８］。目前，关于超声波声速与温度之间关系的研究较为成熟，工程上常用的表述温度Ｔ与超声波声速ｃ之间的经验公式［１０］为ｃ＝３３１．４１槡＋Ｔ／２７３（１）本文用式（１）来修正超声波声速，下文中所使用的ｃ即为修正之后的超声波声速。空间风的来向可用图２表示，图中：Ｖ为风速；θ为风向角；φ为俯仰角，０°≤φ≤１８０°；α为在同一子阵列中的任意两个相邻的接收阵元与发射阵元之间连线的夹角，α＝２０°；Ｖａ为空间来风在垂直面ｙｏｚ上的风速分量；Ｖｂ为空间来风在水平面ｘｏｙ上的风速分量。根据空间几何分解的相关知识可知，Ｖｂ在水平面ｘｏｙ上的分量如图３所示，Ｖｂ１～Ｖｂ４分别表示４个接收阵元方向的风速分量。图２空间风来向图图３Ｖｂ在水平面ｘｏｙ上的分量示意图空间风在ｘｏｙ平面上各接收阵元方向上的风速分量可表示为Ｖｂ１＝Ｖｂｃｏｓθ＋３２（）αＶｂ２＝Ｖｂｃｏｓθ＋１２（）αＶｂ３＝Ｖｂｃｏｓθ－１２（）αＶｂ４＝Ｖｂｃｏｓθ－３２（）烍烌烎α（２）由于发射阵元所发射的超声波信号ｓ（ｔ）为单频窄带信号，因此可表示为ｓ（ｔ）＝ｕ（ｔ）ｅｊ［ωｔ＋φ（ｔ）］（３）式中
风的来向可用图２表示，图中：Ｖ为风速；θ为风向角；φ为俯仰角，０°≤φ≤１８０°；α为在同一子阵列中的任意两个相邻的接收阵元与发射阵元之间连线的夹角，α＝２０°；Ｖａ为空间来风在垂直面ｙｏｚ上的风速分量；Ｖｂ为空间来风在水平面ｘｏｙ上的风速分量。根据空间几何分解的相关知识可知，Ｖｂ在水平面ｘｏｙ上的分量如图３所示，Ｖｂ１～Ｖｂ４分别表示４个接收阵元方向的风速分量。图２空间风来向图图３Ｖｂ在水平面ｘｏｙ上的分量示意图空间风在ｘｏｙ平面上各接收阵元方向上的风速分量可表示为Ｖｂ１＝Ｖｂｃｏｓθ＋３２（）αＶｂ２＝Ｖｂｃｏｓθ＋１２（）αＶｂ３＝Ｖｂｃｏｓθ－１２（）αＶｂ４＝Ｖｂｃｏｓθ－３２（）烍烌烎α（２）由于发射阵元所发射的超声波信号ｓ（ｔ）为单频窄带信号，因此可表示为ｓ（ｔ）＝ｕ（ｔ）ｅｊ［ωｔ＋φ（ｔ）］（３）式中：ｔ为时间；ｕ（ｔ）为信号的幅度；φ（ｔ）为信号的相位；角频率ω＝２πｆ，ｆ＝４０ｋＨｚ为信号的频率。经过时间延迟τ之后，超声波信号可表示为ｓ（ｔ－τ）＝ｓ（ｔ）ｅ－ｊωτ（４）子阵列Ａｂ所接收的阵列信号ｘｂ（ｔ）可表示为ｘｂ（ｔ）＝ｘｂ１（ｔ）ｘｂ２（ｔ）ｘｂ３（ｔ）ｘｂ４（ｔ烄烆烌烎）＝ｓ（ｔ）ｅ－ｊωτ１ｅ－ｊωτ２ｅ－
【参考文献】：
期刊论文
[1]相位差法超声波三维风速测量方法研究[J]. 李春玉,丁喜波,邹一风. 哈尔滨理工大学学报. 2016(04)
[2]超声波时差法的三维矢量风测量系统[J]. 邓云逸,姚振东,刘凯,邱玲,皮波. 单片机与嵌入式系统应用. 2016(04)
[3]超声波测距仪的研究[J]. 时德钢,刘晔,王峰,韦兆碧,王采堂. 计算机自动测量与控制. 2002(07)
[4]用Fabry-Perot干涉仪测量上层大气风场的速度和温度[J]. 张淳民,相里斌,赵葆常. 西安交通大学学报. 2000(04)
硕士论文
[1]基于超声波传感器阵列及多重信号分类算法的风速风向测量方法[D]. 高伟.吉林大学 2017
[2]超声波三维测风系统的开发[D]. 郑毅.兰州理工大学 2014
[3]三维超声波测风系统的设计[D]. 郭星辰.南京信息工程大学 2013
[4]MUSIC算法的研究及DSP实现[D]. 雷远.中国海洋大学 2009
本文编号：3422809
【文章来源】：西安交通大学学报. 2019,53(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图１三维超声测风装置结构图
速度和超声波声速之间的关系，便能测量出风参数［１７］。由于超声波声速ｃ会受到传播介质的温度、湿度等因素的影响，因此有必要其进行修正来提高测风装置的测量精度［１８］。目前，关于超声波声速与温度之间关系的研究较为成熟，工程上常用的表述温度Ｔ与超声波声速ｃ之间的经验公式［１０］为ｃ＝３３１．４１槡＋Ｔ／２７３（１）本文用式（１）来修正超声波声速，下文中所使用的ｃ即为修正之后的超声波声速。空间风的来向可用图２表示，图中：Ｖ为风速；θ为风向角；φ为俯仰角，０°≤φ≤１８０°；α为在同一子阵列中的任意两个相邻的接收阵元与发射阵元之间连线的夹角，α＝２０°；Ｖａ为空间来风在垂直面ｙｏｚ上的风速分量；Ｖｂ为空间来风在水平面ｘｏｙ上的风速分量。根据空间几何分解的相关知识可知，Ｖｂ在水平面ｘｏｙ上的分量如图３所示，Ｖｂ１～Ｖｂ４分别表示４个接收阵元方向的风速分量。图２空间风来向图图３Ｖｂ在水平面ｘｏｙ上的分量示意图空间风在ｘｏｙ平面上各接收阵元方向上的风速分量可表示为Ｖｂ１＝Ｖｂｃｏｓθ＋３２（）αＶｂ２＝Ｖｂｃｏｓθ＋１２（）αＶｂ３＝Ｖｂｃｏｓθ－１２（）αＶｂ４＝Ｖｂｃｏｓθ－３２（）烍烌烎α（２）由于发射阵元所发射的超声波信号ｓ（ｔ）为单频窄带信号，因此可表示为ｓ（ｔ）＝ｕ（ｔ）ｅｊ［ωｔ＋φ（ｔ）］（３）式中
风的来向可用图２表示，图中：Ｖ为风速；θ为风向角；φ为俯仰角，０°≤φ≤１８０°；α为在同一子阵列中的任意两个相邻的接收阵元与发射阵元之间连线的夹角，α＝２０°；Ｖａ为空间来风在垂直面ｙｏｚ上的风速分量；Ｖｂ为空间来风在水平面ｘｏｙ上的风速分量。根据空间几何分解的相关知识可知，Ｖｂ在水平面ｘｏｙ上的分量如图３所示，Ｖｂ１～Ｖｂ４分别表示４个接收阵元方向的风速分量。图２空间风来向图图３Ｖｂ在水平面ｘｏｙ上的分量示意图空间风在ｘｏｙ平面上各接收阵元方向上的风速分量可表示为Ｖｂ１＝Ｖｂｃｏｓθ＋３２（）αＶｂ２＝Ｖｂｃｏｓθ＋１２（）αＶｂ３＝Ｖｂｃｏｓθ－１２（）αＶｂ４＝Ｖｂｃｏｓθ－３２（）烍烌烎α（２）由于发射阵元所发射的超声波信号ｓ（ｔ）为单频窄带信号，因此可表示为ｓ（ｔ）＝ｕ（ｔ）ｅｊ［ωｔ＋φ（ｔ）］（３）式中：ｔ为时间；ｕ（ｔ）为信号的幅度；φ（ｔ）为信号的相位；角频率ω＝２πｆ，ｆ＝４０ｋＨｚ为信号的频率。经过时间延迟τ之后，超声波信号可表示为ｓ（ｔ－τ）＝ｓ（ｔ）ｅ－ｊωτ（４）子阵列Ａｂ所接收的阵列信号ｘｂ（ｔ）可表示为ｘｂ（ｔ）＝ｘｂ１（ｔ）ｘｂ２（ｔ）ｘｂ３（ｔ）ｘｂ４（ｔ烄烆烌烎）＝ｓ（ｔ）ｅ－ｊωτ１ｅ－ｊωτ２ｅ－
【参考文献】：
期刊论文
[1]相位差法超声波三维风速测量方法研究[J]. 李春玉,丁喜波,邹一风. 哈尔滨理工大学学报. 2016(04)
[2]超声波时差法的三维矢量风测量系统[J]. 邓云逸,姚振东,刘凯,邱玲,皮波. 单片机与嵌入式系统应用. 2016(04)
[3]超声波测距仪的研究[J]. 时德钢,刘晔,王峰,韦兆碧,王采堂. 计算机自动测量与控制. 2002(07)
[4]用Fabry-Perot干涉仪测量上层大气风场的速度和温度[J]. 张淳民,相里斌,赵葆常. 西安交通大学学报. 2000(04)
硕士论文
[1]基于超声波传感器阵列及多重信号分类算法的风速风向测量方法[D]. 高伟.吉林大学 2017
[2]超声波三维测风系统的开发[D]. 郑毅.兰州理工大学 2014
[3]三维超声波测风系统的设计[D]. 郭星辰.南京信息工程大学 2013
[4]MUSIC算法的研究及DSP实现[D]. 雷远.中国海洋大学 2009
本文编号：3422809
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