CN109188017B - 一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置及检测方法 - Google Patents

一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置及检测方法，包括脉冲发生器、接收模块、计算模块；所述接收模包括多个传感器，多个传感器环形排布，所述脉冲发生器处于多个传感器形成的环形法线方向上；每个所述传感器的信号输出端均与计算模块的信号输入端连接。与现有技术相比，使用超声波传感器阵列做为接收模块，只使用一个放音模块发出单频超声波，再使用阵列信号处理算法通过计算传感器阵列中各传感器采集到的超声波的相对时延，即可准确测量出风速和风向。这个方案相对于目前的一发一收方案实现相对更简单，降低了设备的复杂度和成本，提升了可靠性。

Description

一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及风向风速检测技术领域，具体来说是一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置及检测方法。
背景技术
在气象检测、航空航天等领域，往往需要对风速、风向进行测量。目前常用的风速检测传感器主要有叶轮式、压差式、热球式、超声波式等实现方式。其中以叶轮式为代表的机械式测量方案存在启动风速大、机械磨损大、瞬时风速存在惯性误差等缺陷，导致低于启动风速的低风速场景无法准确测量，机械磨损容易影响准确度，不容易进行准确的风向测量等。而压差式和热球式的实现方案在户外使用时极易收到环境干扰，基本只能应用于室内环境。超声波式的方案目前基本上采用一发一收的方案，需要多套成对的拾音和放音模块，整个设备的复杂度较高、可靠性较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何准确测量风速风向的同时降低设备损耗以及简化设备结构。
本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：
一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置，包括脉冲发生器、接收模块、计算模块；所述接收模包括多个传感器，多个传感器环形排布，所述脉冲发生器处于多个传感器形成的环形法线方向上；每个所述传感器的信号输出端均与计算模块的信号输入端连接。
优选的，所述脉冲发生器为高频声波发生器或超声波发生器。
优选的，4个传感器均匀环形排布。
优选的，计算模块的计算过程为：4个传感器依次分别为mic0、mic1、mic2、mic3，每个传感器与脉冲发生器之间的距离记作d，形成的环形半径记作r；以mic0和mic2作为第一对传感器对，以mic1和mic3作为第二对传感器对；以mic0为风向0度的起始，假设风速为vw，风向以θ表示，脉冲发生器与各传感器之间的俯仰角记作α，脉冲声音信号的传输速度即为v0；首先计算两个传感器对中两个传感器采集到的声音信号经过滤波后信号的互相关函数：
Figure BDA0001822787980000021
其中F-1[*]表示离散傅里叶反变换，然后搜索互相关函数的峰值，峰值对应的延时为τi，i＝0，1表示传感器对的序号(同时也是传感器对中第一个传感器的序号)，k＝i+2，表示传感器对中第二个传感器的序号，得到以下方程组：
Figure BDA0001822787980000022
求解这个方程组即可得到本次计算周期的瞬时风速vw和瞬时风向θ，再采用平滑滤波的机制得到风速和风向的长时稳定估计。
优选的，两个传感器对中两个传感器采集到的声音信号经带通滤波器或高通滤波器滤波。
本发明还提供一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测方法，应用于上述的装置，包括以下步骤：
脉冲发生器先发出单一频率的测试脉冲音，接收模块采音，并将采集到的测试脉冲音发送给计算模，计算模块根据接收到的脉冲音计算传感器对相位差，得到瞬时风速和风向值，再通过风速风向值平滑处理，得到风速和风向的长时稳定估计。
本发明的优点在于：
使用超声波传感器阵列做为接收模块，只使用一个放音模块发出单频超声波，再使用阵列信号处理算法通过计算传感器阵列中各传感器采集到的超声波的相对时延，即可准确测量出风速和风向。这个方案相对于目前的一发一收方案实现相对更简单，降低了设备的复杂度和成本，提升了可靠性。
附图说明
图1为本发明一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置的立体结构示意图；
图2为本发明一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置的俯视结构示意图；
图3为当计算模块中的滤波器为带通滤波器时的幅频响应曲线图；
图4为当计算模块中的滤波器为高通滤波器时的幅频响应曲线图；
图5为本发明一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测方法的流程框图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1、图2所示，一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置，包括脉冲发生器1、4个传感器、计算模块；4个传感器均匀环形排布，脉冲发生器1处于多个传感器形成的环形法线方向上；每个传感器的信号输出端均与计算模块的信号输入端连接。
脉冲发生器1可以为高频声波发生器或超声波发生器，发生器发出的单一频率声波脉冲频率为f，f>＝20kHz，这样做的目的是高频声波或者超声波由于波长较短，往往无法远距离传输，这样环境中的高频或者超声波背景噪声的影响较小，有利于提高最终风速和风向的估算精度。
两个传感器对中两个传感器采集到的声音信号经带通滤波器或高通滤波器滤波。如果使用带通滤波器，则通带中心频率为f，图3为一个满足条件的带通滤波器幅频响应曲线，为了保证4个传感器采回的声音信号经过滤波后相对相位不变，该滤波器建议使用FIR(有限冲激响应)滤波器。如果使用高通滤波器，则通带起始频率为f-Δf，其中Δf以500hz左右为佳，图4为一个满足条件的高通滤波器幅频响应曲线，高通滤波器同样采用FIR滤波器。
计算模块的计算过程为：4个传感器依次分别为mic0、mic1、mic2、mic3，每个传感器与脉冲发生器1之间的距离记作d，形成的环形半径记作r；以mic0和mic2作为第一对传感器对，以mic1和mic3作为第二对传感器对；以mic0为风向0度的起始，假设风速为vw，风向以θ表示，脉冲发生器1与各传感器之间的俯仰角记作α，脉冲声音信号的传输速度即为v0；首先计算两个传感器对中两个传感器采集到的声音信号经过滤波后信号的互相关函数：
Figure BDA0001822787980000041
其中F-1[*]表示离散傅里叶反变换，然后搜索互相关函数的峰值，峰值对应的延时为τi，i＝0，1表示传感器对的序号(同时也是传感器对中第一个传感器的序号)，k＝i+2，表示传感器对中第二个传感器的序号，得到以下方程组：
Figure BDA0001822787980000042
求解这个方程组即可得到本次计算周期的瞬时风速vw和瞬时风向θ，再采用平滑滤波的机制得到风速和风向的长时稳定估计。具体为：
得到瞬时风速和瞬时风向的估计值之后，再采用平滑滤波的机制得到风速和风向的长时稳定估计，以克服抖动噪声。最简单的平滑滤波机制的实现为基于线性加权平滑的算法，即
Figure BDA0001822787980000043
其中
Figure BDA0001822787980000044
表示风速的长时平滑估计值，
Figure BDA0001822787980000045
表示风向的长时平滑估计值，γv表示风速的长时平滑系数，建议值0.6，γθ表示风向的长时平滑系数，建议值0.9。另外一种效果更好的平滑机制是采用卡尔曼滤波，比如令k表示本次计算周期的序号，令
Figure BDA0001822787980000046
表示第k个计算周期得到的风速和风向组成的向量，每个计算周期完成瞬时值估计后，按照以下的算法流程进行更新：
Figure BDA0001822787980000047
Figure BDA0001822787980000048
Figure BDA0001822787980000049
Figure BDA00018227879800000410
Figure BDA00018227879800000411
其中，A为状态方程系数，Q为状态方程噪声协方差矩阵，
Figure BDA00018227879800000412
为先验估计误差的协方差，Pk为后验估计误差的协方差，H为测量方程系数，R为观测噪声协方差矩阵，Kk为卡尔曼增益。
如图5所示，本发明还提供一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测方法，应用于上述的装置，具体为：
脉冲发生器1先发出单一频率的测试脉冲音，接收模块采音，将采集到的测试脉冲音发送给计算模，计算模块根据接收到的脉冲音计算传感器对相位差，得到瞬时风速和风向值，再通过风速风向值平滑处理，得到风速和风向的长时稳定估计。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置，其特征在于：包括脉冲发生器、接收模块、计算模块；所述接收模块包括多个传感器，多个传感器环形排布，所述脉冲发生器处于多个传感器形成的环形法线方向上；每个所述传感器的信号输出端均与计算模块的信号输入端连接；计算模块的计算过程为：4个传感器依次分别为mic0、mic1、mic2、mic3，每个传感器与脉冲发生器之间的距离记作d，形成的环形半径记作r；以mic0和mic2作为第一对传感器对，以mic1和mic3作为第二对传感器对；以mic0为风向0度的起始，假设风速为νw，风向以θ表示，脉冲发生器与各传感器之间的俯仰角记作α，脉冲声音信号的传输速度即为ν0；首先计算两个传感器对中两个传感器采集到的声音信号经过滤波后信号的互相关函数：
Figure FDA0002721933800000011
其中F-1[*]表示离散傅里叶反变换，然后搜索互相关函数的峰值，峰值对应的延时为τi，i＝0，1表示传感器对的序号，k＝i+2，表示传感器对中第二个传感器的序号，得到以下方程组：
Figure FDA0002721933800000012
求解这个方程组即可得到本次计算周期的瞬时风速vw和瞬时风向θ，再采用平滑滤波的机制得到风速和风向的长时稳定估计。
2.根据权利要求 1所述的一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置，其特征在于：所述脉冲发生器为高频声波发生器或超声波发生器。
3.根据权利要求 1或2所述的一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置，其特征在于：4个传感器均匀环形排布。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测装置，其特征在于：两个传感器对中两个传感器采集到的声音信号经带通滤波器或高通滤波器滤波。
5.一种基于超声波传感器阵列的风向风速检测方法，其特征在于：应用于上述权利要求1至4任一所述的装置，包括以下步骤：
脉冲发生器先发出单一频率的测试脉冲音，接收模块采音，并将采集到的测试脉冲音发送给计算模块，计算模块根据接收到的脉冲音计算传感器对相位差，得到瞬时风速和风向值，再通过风速风向值平滑处理，得到风速和风向的长时稳定估计。
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