[发明专利]弧形嵌套阵列的超声波测风结构和测风方法

说明书

本发明公开了一种弧形嵌套阵列的超声波测风结构和测风方法，属于测风技术领域，构建一种针对近场测风系统的非均匀的弧形嵌套阵列，本发明可以扩大阵列的有效孔径，形成更大的虚拟阵列，相当于增加了接收阵元，加强了对风信号的检测能力，有利于提高低信噪比下的测量精度，降低误差的影响，提高风参数测量的成功率。所提出的弧形嵌套阵列的超声波测风方法，该方法基于弧形嵌套阵列的超声波测风结构，将PM算法与遗传算法结合的混合算法应用于超声波测风领域，可以在不大量损失测量精度的情况下，降低计算量，提高测量风参数的实时性。

技术领域

本发明属于测风技术领域，尤其是涉及一种弧形嵌套阵列的超声波测风结构和测风方法。

背景技术

风能作为一种清洁型的可再生能源，具有广阔的发展前景，风参数的精确测量对风能的高效利用起到重要的作用。目前使用最广泛的是基于时差法和相位差法的超声波测风技术，以及基于阵列信号处理的超声波测风方法；但现有技术存在以下缺点：常用的超声波式风速风向仪的测量精度受到信号在顺风和逆风时的超声飞行时间测量的影响；目前基于阵列信号处理的测风方法，大多使用均匀阵列，阵列孔径有限，测量精度有限，根据仿真结果可知，在信噪比较低时，对风向风速估计成功率小，均方根误差较大，而且常用的算法由于其计算复杂度较高，导致测量结果的实时性较差，因此，以往的测风方法在风速风向的测量精度、抗干扰能力方面以及实时性方面都存在较大的问题。

发明内容

本发明的目的是针对以往的测风方法在风速风向的测量精度、抗干扰能力方面以及实时性方面存在的问题，而提出了一种弧形嵌套阵列的超声波测风结构和测风方法，构建一种针对近场测风系统的非均匀的弧形嵌套阵列，扩大阵列的有效孔径，提高角度分辨率，提高测量精度；测风方法使用PM算法和遗传算法，避免进行特征值分解和遍历空间谱，降低运算复杂度，提高测风实时性。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：弧形嵌套阵列的超声波测风结构，所述超声波测风结构由一个发射阵元和多个接收阵元构成，所述发射阵元和接收阵元均为超声波传感器；所有接收阵元排列在以发射阵元为圆心、R为半径的圆弧上，以形成接收阵列；所述接收阵列为非均匀阵列，接收阵列划分成按逆时针顺序排列的至少两个均匀子阵列，且每个均匀子阵列中的接收阵元数目大于2，每个均匀子阵列中的接收阵元等间距排布，不同均匀子阵列中的接收阵元间距不同，且相邻两个均匀子阵列中前一个均匀子阵列的末个接收阵元与后一个均匀子阵列的首个接收阵元间的夹角与前一个均匀子阵列中相邻两个接收阵元间的夹角相等，其中两个接收阵元间的夹角为两个接收阵元与发射阵元连线形成的夹角。

根据本发明的优选实施例，接收阵列划分成按逆时针顺序排列的两个均匀子阵列，分别为均匀子阵列一和均匀子阵列二，均匀子阵列一和均匀子阵列二中的接收阵元数目都是3个；均匀子阵列一中相邻两个接收阵元间的夹角为α，α＝8°，均匀子阵列二中相邻两个接收阵元间的夹角为4α，4α＝32°，均匀子阵列二的首个接收阵元与均匀子阵列一的末个接收阵元间的夹角为α，α＝8°。

弧形嵌套阵列的超声波测风方法，所述方法基于所述的弧形嵌套阵列的超声波测风结构，具体包括如下步骤：

步骤1、设定发射阵元数K＝1，接收阵元数为M＝6，根据所述弧形嵌套阵列的超声波测风结构中阵元的分布情况，通过矢量分解的方法将待测风信号进行分解，得到发射阵元与接收阵元连线方向上的分量，选定某个接收阵元为参考阵元，获取信号从发射阵元到各个接收阵元的时间与信号从发射阵元到参考阵元的时间，得到发射信号到达第i个接收阵元相对于发射信号到达参考阵元的时间延迟τ_i，从而得到弧形嵌套阵列的阵列流型矢量a(θ,V)，θ为风向角，V为待测风速；

步骤2、由于只有一个发射阵元，阵列流型矩阵A(θ,V)满足A(θ,V)＝a(θ,V)；阵列接收信号为：

X(t)＝A(θ,V)s(t)+N(t)