[发明专利]超声波风速风向测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种超声波风速风向测量装置，其特征在于：包括超声波传感器阵列、A/D转换器组、上位机和显示器；

所述超声波传感器阵列由六个超声波传感器组成，六个超声波传感器中一个为发射超声波传感器，另外五个为接收超声波传感器；一个发射超声波传感器通过信号线与所述上位机相连，五个接收超声波传感器分别通过信号线与所述A/D转换器组中五个转换器相连；

所述显示器通过信号线与所述上位机相连；

所述发射超声波传感器为0号超声波传感器，型号为MA40S4S；所述五个接收超声波传感器为1号超声波传感器～5号超声波传感器，型号为MA40B8S；1号～5号超声波传感器分别通过信号线与A/D转换器组中的1号A/D转换器～5号A/D转换器相连；0号～5号超声波传感器共地；

所述0号超声波传感器～5号超声波传感器位于同一个水平面上，所述1号～5号超声波传感器均匀排列在一条直线上，每两个相邻超声波传感器的间距为d；0号超声波传感器与5号超声波传感器的连线垂直于1号～5号超声波传感器排列的直线，且0号超声波传感器与5号超声波传感器的距离为4d；

所述1号A/D转换器～5号A/D转换器均相同。

2.如权利要求1所述的一种超声波风速风向测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：上位机控制0号超声波传感器发射超声波信号，发射信号为S(t)，发送超声波频率f为200kHz；

步骤2：利用A/D转换器组对1号～5号超声波传感器接收到的信号进行采样，输入到上位机中进行算法运算；

步骤3：利用上位机控制显示模块，输出显示计算得到的实时风速风向值；

所述步骤2中利用A/D转换器组对1号～5号超声波传感器接收到的信号进行采样，输入到上位机中进行算法运算的运算过程如下：

第一步：

得到接收数据X(t)的协方差矩阵R：

R＝E[X(t)X^H(t)] 式(1)

其中：H表示共轭转置；

X(t)为阵列接收信号矩阵，X(t)的形式如下：

X(t)＝[x₁(t),x₂(t)…x_N(t)]^T 式(2)

其中：T表示矩阵转置；

X(t)为x_i(t)的矢量形式；

x_i(t)为第i个阵元接收到的信号，i＝1～5，x_i(t)的形式如下：

其中：s(t)为发射信号；

f为超声波频率；

n_i(t)为i号超声波传感器上的噪声；

τ_i为第i个阵元与基准阵元之间接收信号的时延差，τ_i的形式如下：

其中：L_i为信号源与各传感器之间的距离，选1号传感器作为基准阵元，L₁为信号源与1号传感器之间的距离；

c为声速；

V_i为风速V在信号源与i号超声波传感器连线上的分量，V₁为风速V在信号源与1号传感器连线上的分量；

运用解三角形的方法得出：

L₂＝5d；L₅＝4d；d表示每两个相邻超声波传感器的间距；

且V₅＝Vcosθ；θ表示风向角；

第二步：

对由式(1)得到的协方差矩阵R进行特征值分解：

R＝UΣU^H 式(5)

其中：U为特征矢量矩阵；

Σ为由特征值组成的对角阵；

按照特征值的大小顺序，将最大特征值和对应的特征矢量看作信号子空间，将剩下的特征值对应的特征矢量看作噪声子空间，将式(5)整理成：

其中：U_S为大特征值对应的信号子空间；

Σ_S为大特征值组成的对角阵；

U_N为小特征值对应的噪声子空间；

Σ_N为小特征值组成的对角阵；

第三步：

写出谱计算公式，谱计算公式P_MUSIC的形式如下：

其中：U_N为小特征值对应的噪声子空间；

a(θ,V)为信号向量；

a(θ,V)由如下过程得到：

将式(2)写成矢量形式，有：

X(t)＝a(θ,V)s(t)+N(t) 式(8)

其中：N(t)＝[n₁(t),n₂(t),…,n_N(t)]^T为噪声矩阵，a(θ,V)即为信号向量，其形式为：

其中：τ_i由式(4)得到，所以有：

将式(10)代入式(7)即可得到谱计算公式；

第四步：

由第三步得知，谱计算公式P_MUSIC是风速V和风向角θ的二维函数；在可测风速风向范围内，使V和θ不断地变化，按照谱计算公式来计算谱函数，谱函数P_MUSIC峰值对应的风速V和风向角θ即为实时的风速和风向值。