CN109001487A - 一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统及方法，测风系统包括有数个声波传感器、发送模块、数个接收模块、模拟开关模块、数个相敏检波电路模块、数个高频计数电路模块、微处理器模块和通信模块，其中声波传感器的设置数量与发送模块和数个接收模块之和的数量一致，发送模块与数个声波传感器中的一个相连接，数个接收模块与其余的声波传感器一一对应连接，方法为：步骤一、对各模块进行初始化；步骤二、得到延迟数字量；步骤三、对接收信号进行时延估计；步骤四、获得声波传感器方向的风速；步骤五、得到六组声波传感器方向的风速；步骤六、得到实时的风速和风向。有益效果：测量范围广；稳定性高；测量精准度高。

Description

一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统及方法

技术领域

本发明涉及一种声波测风系统及方法，特别涉及一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统及方法。

背景技术

目前，在各类气象影响因素中，风是最活跃的因素之一。风速、风向的测量被广泛应用于军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面。在战争中，由于风的作用，发射出去的火炮的弹道会发生改变，从而导致射击精度的降低；风速和风向还会严重影响海洋航行中船只的安全，因此海洋航行中风速的测量也是至关重要的；在飞机或无人机的飞行过程中，风速和风向是关系到飞机驾驶和飞行安全的一个重要参数；各类风扇制造业、风力发电、风力涡轮机等也离不开风速、风向的测量。因此，快速、可靠、宽范围、高精度的风速、风向测量仪具有极大的市场需求。

测风仪是一种用来计量气体流动速度和方向的测量仪器，随着技术不断发展，出现了多种不同的测量方法。声波测风仪是一种基于声波传播特性受空气流动调制原理制成的测量仪表，与基于其它原理制成的各类测风仪表相比较，它的优势在于：无机械活动部件，没有机械磨损，也不存在惯性，反应快、测量范围宽、精度高、重复性好，并且能够测量风速中的高频脉动成分。

传统的测风仪计算时延时间大多采用直接测量法、相关法、DOA方位估计等方法。直接测量法测量值易受噪声干扰，使得测量结果不精确；相关法和DOA估计法计算量繁琐复杂，并且不能在测量背景为冲击噪声的声波测风仪中使用；对于测量背景噪声为冲击噪声情况,可以使用相敏检波时延测量方法。由于相敏检波的相位敏感特性，使包络内的余弦信号在某一时刻发生相位翻转，信号发生突变，使得测量结果更加精准，在任意噪声背景下均可使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的超声波测风系统及方法在使用过程中所存在的诸多问题而提供的一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统及方法。

本发明提供的基于相敏检波时延测量的声波测风系统包括有数个声波传感器、发送模块、数个接收模块、模拟开关模块、数个相敏检波电路模块、数个高频计数电路模块、微处理器模块和通信模块，其中声波传感器的设置数量与发送模块和数个接收模块之和的数量一致，发送模块与数个声波传感器中的一个相连接，数个接收模块与其余的声波传感器一一对应连接，数个接收模块相并联，发送模块的控制端与微处理器模块相连，接收模块的输出端分别与模拟开关模块的输入端、数个高频计数电路模块的输入端相连；数个高频计数电路模块的输出端与数个相敏检波电路模块的输入端相连，接收模块、高频计数电路模块和相敏检波电路模块设置数量一致，数个接收模块与数个高频计数电路模块一一对应连接，数个高频计数电路模块与数个相敏检波电路模块也一一对应连接，数个高频计数电路模块相并联，数个相敏检波电路模块也相并联，数个相敏检波电路模块输出端与微处理器模块相连接；微处理器模块与通信模块相连接,用于输出所测得的风速和接收控制命令。

声波传感器用于信号的发射和接收，声波传感器共设置十三个，用于信号发射的声波传感器设置为一个，该声波传感器设置在圆心位置且与发送模块相连接，其余十二个用于信号接收的声波传感器构成六组正交基底，且两两相对呈圆形等边、等距布设在安装座的上面，声波传感器的型号为FC-04型。

高频计数电路模块是由D触发器、与门电路和计数器组成，D触发器和与门电路均与计数器相连接，D触发器的型号为74LS74型，与门电路的型号为7408型，计数器的型号为74LS160型。

发送模块的型号为H34B型，接收模块的型号为YB315-R-3型，模拟开关模块的型号为74HC4051D型，相敏检波电路模块的型号为AD630型，微处理模块的型号为STM32F030K6型，通信模块的型号为MAX14841EASA型。

本发明提供的基于相敏检波时延测量的声波测风方法，其方法如下所述：

步骤一、系统上电后，对各模块进行初始化；

步骤二、首先，检测通信模块是否接收到控制命令，待通信模块接收到控制命令，则微处理器模块调用控制命令处理函数对该命令进行处理,处理完成后返回继续检测；其次，若通信模块没有接收到控制命令，则微处理器模块控制发送模块驱动处于圆心位置的声波传感器发射以D为周期的信号：

且发射信号为球面波，t₀时刻已知，将接收的信号经过相敏检波电路模块整形、电压比较处理，同时高频计数电路模块从信号发出时刻开始计时，然后控制模拟开关模块连通其余十二个声波传感器作为接收探头接收信号，高频计数电路模块记录t_i时刻，即记录发射信号t₀到接收信号t_i的时间，可得时间延迟为T_i＝t_i-t₀(i＝1,2,3，…，12)；最后，采用声波回波信号模型与相敏检波时延测量算法相结合对时间延迟进行计算，将测量结果传递给微处理器模块并保存，可得到十二组时间延迟数字量；

步骤三、分别采用声波回波信号模型与相敏检波时延测量算法相结合实现对十二组数字量的接收信号进行时延估计，得到十二个时延估计值T₁，T₂，T₃，T₄，…，T₁₂；

其具体方法如下：

(1)相位翻转的声波回波模型：

由于相敏检波的相位敏感特性，使包络内的余弦信号在某一时刻发生相位翻转，整个信号关于这一时刻对称，表达式如下：

θ＝[ατf_cφβt_v]

式中：α表示带宽因子，τ表示延迟时间，f_c表示中心频率，φ表示相位，β表示幅度系数，t_v表示相位翻转时刻；

根据相位翻转的声波信号的高斯模型，声波传感器发射信号x(t)、接收信号y(t)可以表示为：

x(t)＝S(t)

x(t)＝S(t-T)+n(t)

其中：

将S(t)和S(t-T)简化，令则S(t)可以写成：

同理，S(t-T)可以写成：

式中：S(t)为驱动信号，n(t)为任意分布噪声，T为时间延迟；

(2)基于相敏检波的声波信号时延估计方法：

对于声波测风系统，由于受声波传感器和空间电磁干扰的影响，声波的发射和接收信号均是含有噪声的，因此设参考信号方波为E_r，表达式如下：

结合相位翻转的声波回波信号模型，声波发射信号x(t)，表达式如下：

根据相敏检波的原理，声波发射信号x(t)与参考方波信号E_r两者的乘积E_o1为：

令β＝e_r＝1，

因此：

根据积化和差公式，上式可以简化为：

由上式可知，当n≥2时，以及后项和频项均为高频部分，被LPF滤除，因此只剩下n＝1的信号项被检测，输出E_o1为：

同理，声波接收信号y(t)表达式如下：

声波接收信号y(t)与参考方波信号E_r两者的乘积E_o2为：

当φ＝0时，E_o1、E_o2输出为最大值，经过PSD及其后的LPF，声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的检出信号分别为：

由上式可知，检出信号E_o1、E_o2中包含着时延信息，对其翻转时刻所在位置进行搜索，分别表示为t_s和t_j，则时间延迟为：

T_i＝t_s-t_j(i＝1,2,3，…，12)；

基于以上理论做十二次运算，得到十二组时间延时：T₁，T₂，T₃，T₄，…，T₁₂；

步骤四、设处于圆心的声波传感器与其他两两相对的声波传感器之间的距离均为d，再由相对时差法得到正南正北相对应的声波传感器方向的风速为另外十个两两相对应的声波传感器方向的风速为

步骤五、根据步骤四得到六组声波传感器方向的风速，任意选取两两正交的声波传感器组，通过正交合成得到的风速分别为 则实际风速为以正北方向声波传感器所在位置作为基准，通过正交合成得到的风向角分别为 则实际的风向角为

步骤六、将步骤五中得到的风速和风向角通过通信模块输出，之后返回步骤二，如此循环得到实时的风速和风向。

本发明的工作原理：

系统上电后，微处理器模块控制发送模块驱动处于中心位置的声波传感器r₀发出球面波(发射信号)，模拟开关模块控制接收模块驱动其余声波传感器(r₁，r₂，…，r₁₂)作为接收探头同时接收声波(接收信号)，同时计数器开始计时；在此期间，发射信号经过相敏检波电路模块处理，再经过高频计数电路模块，其中D触发器为上升沿有效，在附图4中发射信号经一系列变化，在t_i处可得到一个有效信号，每经过一个有效信号，计数器计数一次，因此可得到十二组测量时间；通过相对时差法可得到时间延迟，最后得到任意方向的风速。

本发明的有益效果：

1、测量范围广：

本发明提供的测风系统与传统的测风仪相比，测量范围更为广泛。由于声波是以球面扩展的，波阵面为球面，因此发出的信号可由各个方位的声波传感器同时接收。

2.稳定性高

本发明采用相对时差法得到的风速风向结果只与声波在空气中传播的速度有关系，从而消除了温湿度(温湿度是影响声速的主要因素)变化对测量精度的影响，具有较高的稳定性。

3.测量精准度高

本发明提供的测风系统测量精准度更高。采用十三个声波传感器使得测量结果更为精准；采用相敏检波理论不仅具有优良的时延测量算法，而且对包括高斯噪声在内的Alpha噪声和周期性干扰具有很强的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明所述测风系统整体结构示意图。

图2为本发明所述声波传感器布置示意图。

图3为本发明所述高频计数电路模块结构示意图。

图4为本发明所述相敏检波电路信号处理原理示意图。

图5为本发明所述测风方法流程示意图。

1、声波传感器 2、发送模块 3、接收模块 4、模拟开关模块 5、相敏检波电路模块6、高频计数电路模块 7、微处理器模块 8、通信模块 9、D触发器 10、与门电路 11、计数器。

具体实施方式

请参阅图1至图5所示：

本发明提供的基于相敏检波时延测量的声波测风系统包括有数个声波传感器1、发送模块2、数个接收模块3、模拟开关模块4、数个相敏检波电路模块5、数个高频计数电路模块6、微处理器模块7和通信模块8，其中声波传感器1的设置数量与发送模块2和数个接收模块3之和的数量一致，发送模块2与数个声波传感器1中的一个相连接，数个接收模块3与其余的声波传感器1一一对应连接，数个接收模块3相并联，发送模块2的控制端与微处理器模块7相连，接收模块3的输出端分别与模拟开关模块4的输入端、数个高频计数电路模块6的输入端相连；数个高频计数电路模块6的输出端与数个相敏检波电路模块5的输入端相连，接收模块3、高频计数电路模块6和相敏检波电路模块5设置数量一致，数个接收模块3与数个高频计数电路模块6一一对应连接，数个高频计数电路模块6与数个相敏检波电路模块5也一一对应连接，数个高频计数电路模块6相并联，数个相敏检波电路模块5也相并联，数个相敏检波电路模块5输出端与微处理器模块7相连接；微处理器模块7与通信模块8相连接,用于输出所测得的风速和接收控制命令。

声波传感器1用于信号的发射和接收，声波传感器1共设置十三个，用于信号发射的声波传感器1设置为一个，该声波传感器1设置在圆心位置且与发送模块2相连接，其余十二个用于信号接收的声波传感器1构成六组正交基底，且两两相对呈圆形等边、等距布设在安装座的上面，声波传感器1的型号为FC-04型。

高频计数电路模块6是由D触发器9、与门电路10和计数器11组成，D触发器9和与门电路10均与计数器11相连接，D触发器9的型号为74LS74型，与门电路10的型号为7408型，计数器11的型号为74LS160型。

发送模块2的型号为H34B型，接收模块3的型号为YB315-R-3型，模拟开关模块4的型号为74HC4051D型，相敏检波电路模块5的型号为AD630型，微处理模块7的型号为STM32F030K6型，通信模块8的型号为MAX14841EASA型。

本发明提供的基于相敏检波时延测量的声波测风方法，其方法如下所述：

步骤一、系统上电后，对各模块进行初始化；

步骤二、首先，检测通信模块8是否接收到控制命令，待通信模块8接收到控制命令，则微处理器模块7调用控制命令处理函数对该命令进行处理,处理完成后返回继续检测；其次，若通信模块8没有接收到控制命令，则微处理器模块7控制发送模块2驱动处于圆心位置的声波传感器1发射以D为周期的信号：

且发射信号为球面波，t₀时刻已知，将接收的信号经过相敏检波电路模块5整形、电压比较处理，同时高频计数电路模块6从信号发出时刻开始计时，然后控制模拟开关模块4连通其余十二个声波传感器1作为接收探头接收信号，高频计数电路模块6记录t_i时刻，即记录发射信号t₀到接收信号t_i的时间，可得时间延迟为T_i＝t_i-t₀(i＝1,2,3，…，12)；最后，采用声波回波信号模型与相敏检波时延测量算法相结合对时间延迟进行计算，将测量结果传递给微处理器模块7并保存，可得到十二组时间延迟数字量；

步骤三、分别采用声波回波信号模型与相敏检波时延测量算法相结合实现对十二组数字量的接收信号进行时延估计，得到十二个时延估计值T₁，T₂，T₃，T₄，…，T₁₂；

其具体方法如下：

(1)相位翻转的声波回波模型：

由于相敏检波的相位敏感特性，使包络内的余弦信号在某一时刻发生相位翻转，整个信号关于这一时刻对称，表达式如下：

θ＝[α τ f_c φ β t_v]

式中：α表示带宽因子，τ表示延迟时间，f_c表示中心频率，φ表示相位，β表示幅度系数，t_v表示相位翻转时刻；

根据相位翻转的声波信号的高斯模型，声波传感器发射信号x(t)、接收信号y(t)可以表示为：

x(t)＝S(t)

x(t)＝S(t-T)+n(t)

其中：

将S(t)和S(t-T)简化，令则S(t)可以写成：

同理，S(t-T)可以写成：

式中：S(t)为驱动信号，n(t)为任意分布噪声，T为时间延迟；

(2)基于相敏检波的声波信号时延估计方法：

对于声波测风系统，由于受声波传感器和空间电磁干扰的影响，声波的发射和接收信号均是含有噪声的，因此设参考信号方波为E_r，表达式如下：

结合相位翻转的声波回波信号模型，声波发射信号x(t)，表达式如下：

根据相敏检波的原理，声波发射信号x(t)与参考方波信号E_r两者的乘积E_o1为：

令β＝e_r＝1，

因此：

根据积化和差公式，上式可以简化为：

由上式可知，当n≥2时，以及后项和频项均为高频部分，被LPF滤除，因此只剩下n＝1的信号项被检测，输出E_o1为：

同理，声波接收信号y(t)表达式如下：

声波接收信号y(t)与参考方波信号E_r两者的乘积E_o2为：

当φ＝0时，E_o1、E_o2输出为最大值，经过PSD及其后的LPF，声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的检出信号分别为：

由上式可知，检出信号E_o1、E_o2中包含着时延信息，对其翻转时刻所在位置进行搜索，分别表示为t_s和t_j，则时间延迟为：

T_i＝t_s-t_j(i＝1,2,3，…，12)；

基于以上理论做十二次运算，得到十二组时间延时：T₁，T₂，T₃，T₄，…，T₁₂；

步骤四、设处于圆心的声波传感器1与其他两两相对的声波传感器1之间的距离均为d，再由相对时差法得到正南正北相对应的声波传感器1方向的风速为另外十个两两相对应的声波传感器1方向的风速为

步骤五、根据步骤四得到六组声波传感器1方向的风速，任意选取两两正交的声波传感器1组，通过正交合成得到的风速分别为 则实际风速为以正北方向声波传感器所在位置作为基准，通过正交合成得到的风向角分别为 则实际的风向角为

步骤六、将步骤五中得到的风速和风向角通过通信模块8输出，之后返回步骤二，如此循环得到实时的风速和风向。

本发明的工作原理：

系统上电后，微处理器模块7控制发送模块2驱动处于中心位置的声波传感器1r₀发出球面波(发射信号)，模拟开关模块4控制接收模块3驱动其余声波传感器1(r₁，r₂，…，r₁₂)作为接收探头同时接收声波(接收信号)，同时计数器11开始计时；在此期间，发射信号经过相敏检波电路模块5处理，再经过高频计数电路模块6，其中D触发器9为上升沿有效，在附图4中发射信号经一系列变化，在t_i处可得到一个有效信号，每经过一个有效信号，计数器11计数一次，因此可得到十二组测量时间；通过相对时差法可得到时间延迟，最后得到任意方向的风速。

Claims (5)

1.一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统，其特征在于：包括有数个声波传感器、发送模块、数个接收模块、模拟开关模块、数个相敏检波电路模块、数个高频计数电路模块、微处理器模块和通信模块，其中声波传感器的设置数量与发送模块和数个接收模块之和的数量一致，发送模块与数个声波传感器中的一个相连接，数个接收模块与其余的声波传感器一一对应连接，数个接收模块相并联，发送模块的控制端与微处理器模块相连，接收模块的输出端分别与模拟开关模块的输入端、数个高频计数电路模块的输入端相连；数个高频计数电路模块的输出端与数个相敏检波电路模块的输入端相连，接收模块、高频计数电路模块和相敏检波电路模块设置数量一致，数个接收模块与数个高频计数电路模块一一对应连接，数个高频计数电路模块与数个相敏检波电路模块也一一对应连接，数个高频计数电路模块相并联，数个相敏检波电路模块也相并联，数个相敏检波电路模块输出端与微处理器模块相连接；微处理器模块与通信模块相连接,用于输出所测得的风速和接收控制命令。

2.根据权利要求1所述的一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统，其特征在于：所述的声波传感器用于信号的发射和接收，声波传感器共设置十三个，用于信号发射的声波传感器设置为一个，该声波传感器设置在圆心位置且与发送模块相连接，其余十二个用于信号接收的声波传感器构成六组正交基底，且两两相对呈圆形等边、等距布设在安装座的上面，声波传感器的型号为FC-04型。

3.根据权利要求1所述的一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统，其特征在于：所述的高频计数电路模块是由D触发器、与门电路和计数器组成，D触发器和与门电路均与计数器相连接，D触发器的型号为74LS74型，与门电路的型号为7408型，计数器的型号为74LS160型。

4.根据权利要求1所述的一种基于相敏检波时延测量的声波测风系统，其特征在于：所述的发送模块的型号为H34B型，接收模块的型号为YB315-R-3型，模拟开关模块的型号为74HC4051D型，相敏检波电路模块的型号为AD630型，微处理模块的型号为STM32F030K6型，通信模块的型号为MAX14841EASA型。

5.一种基于相敏检波时延测量的声波测风方法，其特征在于：其方法如下所述：

步骤一、系统上电后，对各模块进行初始化；

步骤二、首先，检测通信模块是否接收到控制命令，待通信模块接收到控制命令，则微处理器模块调用控制命令处理函数对该命令进行处理,处理完成后返回继续检测；其次，若通信模块没有接收到控制命令，则微处理器模块控制发送模块驱动处于圆心位置的声波传感器发射以D为周期的信号：

且发射信号为球面波，t₀时刻已知，将接收的信号经过相敏检波电路模块整形、电压比较处理，同时高频计数电路模块从信号发出时刻开始计时，然后控制模拟开关模块连通其余十二个声波传感器作为接收探头接收信号，高频计数电路模块记录t_i时刻，即记录发射信号t₀到接收信号t_i的时间，可得时间延迟为T_i＝t_i-t₀(i＝1,2,3，…，12)；最后，采用声波回波信号模型与相敏检波时延测量算法相结合对时间延迟进行计算，将测量结果传递给微处理器模块并保存，可得到十二组时间延迟数字量；

步骤三、分别采用声波回波信号模型与相敏检波时延测量算法相结合实现对十二组数字量的接收信号进行时延估计，得到十二个时延估计值T₁，T₂，T₃，T₄，…，T₁₂；

其具体方法如下：

(1)相位翻转的声波回波模型：

由于相敏检波的相位敏感特性，使包络内的余弦信号在某一时刻发生相位翻转，整个信号关于这一时刻对称，表达式如下：

θ＝[α τ f_c φ β t_v]

式中：α表示带宽因子，τ表示延迟时间，f_c表示中心频率，φ表示相位，β表示幅度系数，t_v表示相位翻转时刻；

根据相位翻转的声波信号的高斯模型，声波传感器发射信号x(t)、接收信号y(t)可以表示为：

x(t)＝S(t)

x(t)＝S(t-T)+n(t)

其中：

将S(t)和S(t-T)简化，令则S(t)可以写成：

同理，S(t-T)可以写成：

式中：S(t)为驱动信号，n(t)为任意分布噪声，T为时间延迟；

(2)基于相敏检波的声波信号时延估计方法：

对于声波测风系统，由于受声波传感器和空间电磁干扰的影响，声波的发射和接收信号均是含有噪声的，因此设参考信号方波为E_r，表达式如下：

结合相位翻转的声波回波信号模型，声波发射信号x(t)，表达式如下：

根据相敏检波的原理，声波发射信号x(t)与参考方波信号E_r两者的乘积E_o1为：

令β＝e_r＝1，

因此：

根据积化和差公式，上式可以简化为：

由上式可知，当n≥2时，以及后项和频项均为高频部分，被LPF滤除，因此只剩下n＝1的信号项被检测，输出E_o1为：

同理，声波接收信号y(t)表达式如下：

声波接收信号y(t)与参考方波信号E_r两者的乘积E_o2为：

当φ＝0时，E_o1、E_o2输出为最大值，经过PSD及其后的LPF，声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的检出信号分别为：

由上式可知，检出信号E_o1、E_o2中包含着时延信息，对其翻转时刻所在位置进行搜索，分别表示为t_s和t_j，则时间延迟为：

T_i＝t_s-t_j(i＝1,2,3，…，12)；

基于以上理论做十二次运算，得到十二组时间延时：T₁，T₂，T₃，T₄，…，T₁₂；

步骤四、设处于圆心的声波传感器与其他两两相对的声波传感器之间的距离均为d，再由相对时差法得到正南正北相对应的声波传感器方向的风速为另外十个两两相对应的声波传感器方向的风速为

步骤五、根据步骤四得到六组声波传感器方向的风速，任意选取两两正交的声波传感器组，通过正交合成得到的风速分别为 则实际风速为以正北方向声波传感器所在位置作为基准，通过正交合成得到的风向角分别为 则实际的风向角为

步骤六、将步骤五中得到的风速和风向角通过通信模块输出，之后返回步骤二，如此循环得到实时的风速和风向。