CN112945154A - 基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置及方法，属于自动气象监测领域。包括太阳能电池板、太阳能电池板调节电机、温度补偿模块安装块、导轨上固定块、可调限位块、超声波探头、辅助限位柱、超声波探头安装支架、联轴器、旋转底盘、温度补偿模块、导向柱、丝杠、移动块、丝杠电机、安装底座、测雪板、导向套筒、平面轴承和旋转电机。优点在于：减少测量探头对降雪影响的雪深测量支架，提高了测量准确性，实现一个测量支架测量多点雪深的功能，进行多点雪深测量，极大减少了雪深测量误差；超声波回波信号采用归一化互相关理论进行噪声抑制和目标信号提取，具有优良的时延测量精度。

Description

基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置及方法

技术领域

本发明属于自动气象监测领域，具体涉及一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置及方法。

背景技术

近年来全球气候受厄尔尼诺现象影响，极端天气频繁发生。2018年初，我国多地出现大范围降雪天气，导致人畜伤亡，大面积农作物受灾，公路交通运输受到严重影响，为人民群众生命财产带来极大隐患。由此可见，在工农业生产、交通运输、电力通信等领域，对积雪深度进行实时高精度监测具有十分重要的意义。

国际上主要有两种测量积雪深度的方法：人工钻孔测量和物理探测方法。人工钻孔测量方式需要测量人员每日定时定点用量雪尺观测获得多组数据求取平均值，或者通过测量积雪融化之后的重量确定新雪密度进而估算水当量。但受观测点不足、测量工具简陋等因素影响，人工钻孔测量产生的观测数据误差较大，无法持续、全面监测积雪变化。物理探测方法主要是利用超声波或激光遇到积雪表面之后会发生反射现象，探头发生器将信号发射给雪面，通过测量接收器接收到积雪表面反射脉冲信号的时间来计算积雪深度。超声波检测技术应用于气象探测具有抗干扰能力强、精度高的优点，能够在户外作业，不受光线、电磁波等环境干扰，并且建造成本和系统复杂度低，便于维护，信号数据获取方便，成为现行气象行业大力推广和研究的积雪测量方案。

现阶段，国内外超声波雪深测量仪器均为固定位置测量装置，通过支架和底座固定在户外测量区域，超声波传感器模块安装在支架横臂固定位置，因此只能实现固定区域的积雪深度测量。在实际情况中，自然因素影响会导致积雪表面高低不平，在降雪过程中，固定的超声波传感器模块上方会承接一部分落雪，影响其下方待测量区域积雪深度，导致固定位置测量不能有效的测量积雪深度的真实值，测量结果精度低。在传统的对于雪深测量的研究中，大部分都是通过对硬件电路的改进来提高测量精度的，然而随着空间电磁环境日益复杂，测量环境中存在大量噪声干扰，空气中存在着大量Alpha稳定分布噪声，尤其是在超声波回波信号中包含超声波遇落雪反射回来的Alpha稳定分布噪声时，传统超声波雪深探测装置的雪深测量的精准度会严重下降。因此设计一种可以有效抑制Alpha噪声并实现超声波传感器伸缩及角度变化的安装支架，能够在一定程度上提升测量的精度。

发明内容

本发明提供一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置及方法，能够根据具体使用环境调节测量角度，并通过调节自转角度和太阳能电池板角度实现更高补充电源效率的环境自适应多角度测雪深设备。

本发明采取的技术方案是：包括太阳能电池板、太阳能电池板调节电机、温度补偿模块安装块、导轨上固定块、可调限位块、超声波探头、辅助限位柱、超声波探头安装支架、联轴器、旋转底盘、温度补偿模块、导向柱、丝杠、移动块、丝杠电机、安装底座、测雪板、导向套筒、平面轴承和旋转电机，其中安装底座与旋转底盘之间采用平面轴承连接，旋转电机下方与安装底座固定连接、上方电机轴与旋转底盘连接，丝杠电机固定连接在旋转底盘内，丝杠与丝杠电机采用联轴器连接，导向柱下端与旋转底盘固定连接、上端与导轨上固定块固定连接，移动块与丝杠螺纹连接、并且通过导向套筒与导向柱滑动连接，超声波探头安装支架与移动块转动连接，超声波探头与超声波探头安装支架前端固定连接，可调限位块安装在导向柱上，辅助限位柱与可调限位块转动连接，测雪板套接在安装底座的外部，太阳能电池板调节电机、温度补偿模块分别安装在温度补偿模块安装块上，该温度补偿模块安装块通过螺栓连接在导轨上固定块上，太阳能电池板调节电机通过电机轴与太阳能电池板转动连接。

一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量方法，包括下列步骤：

步骤一、将基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置上电后，对各模块进行初始化；

步骤二、温度补偿模块读取当前测量区域的温度，结合超声波在空气中的传播速度与空气的关系，修正超声波在空气中的传播速度；

超声波在空气中的传播速度v与温度的关系表达式如下所示：

V＝331.4(Ta/273.15)

Ta＝273.15+t₀

式中，Ta表示华氏温度，t₀表示摄氏温度；

步骤三、超声波探头发射超声波，超声波在空气中传播，接收遇到积雪表面反射回来回波信号，采用声波回波信号模型与归一化互相关时延估计算法相结合对时间延迟T进行计算，实现对接收信号数字量进行时延估计，具体方法如下：

(1)超声波回波信号的模型

超声波回波信号的高斯模型可表示为：

θ＝[α τ f_c φ β]

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，θ表示[α τ f_c φ β]的参数合集，t表示信号时间，S(θ,t)表示超声波回波信号高斯模型的幅度；

根据超声波回波信号的高斯模型，超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)

y(t)＝s(t-T)+m(t)+n(t)

其中：

m(t)＝A*cos(2πf_mt)

式中：s(t)为驱动信号，m(t)为与驱动信号频率不同的周期性干扰，是气象仪器测试站中其他测量仪器对超声波雪深测量系统产生的干扰，A和f_m分别是周期性干扰信号的幅值和频率，n(t)为符合Alpha稳定分布的噪声，T为待测时间延迟；

(2)基于归一化互相关的声波信号时延估计方法

根据归一化互相关函数定义，超声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的归一化互相关函数r_yx(τ)表达式可写为：

式中E[·]代表求取期望，由于x(t)、m(t)、n(t)三者相互独立，则上式可表示为：

经化简，超声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的归一化互相关函数r_yx(τ)样本估计

可表示为：

由于信号具有平稳遍历性，当N足够大时，下式存在：

则归一化互相关样本估计可表示为：

根据归一化函数定义和相关函数的性质可知：

因此

在τ＝T时取得最大值；

由上式可知，对归一化相关函数

进行峰值搜索，获得最大值点所在的位置，得到本次测量的时间延迟T值；

步骤四、对雪深测量数据h进行计算

h＝D-H＝D-VT

式中，D为测量装置到雪尺零点的距离，单位为m；H为测量装置到积雪表面的距离，单位为m；V为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s，将计算结果传递给微处理器模块并保存；

步骤五、电机控制雪深测量装置顺时针依次旋转90度、180度、270度，并重复步骤二、步骤三、步骤四，一共得到四组不同位置的雪深测量数据，对四组数据求取平均值，获得测量区域的雪深测量结果，将最终测量结果传递给微处理器模块并保存，结束测量。

本发明优点在于：能够将超声波传感器探头伸出、缩回从而减少测量探头对降雪影响的雪深测量支架。有效避免了传统超声波雪深测量装置上方承接部分落雪导致超声波传感器下方雪深小于真实值的问题，提高了测量准确性；可以实现一个测量支架测量多点雪深的功能。通过旋转超声波传感器探头到待测区域上方不同位置，进行多点雪深测量，克服了现有技术中只能固定点测量的问题，极大减少了雪深测量误差；超声波回波信号采用归一化互相关理论进行噪声抑制和目标信号提取，不仅具有优良的时延测量精度，而且能够对包括高斯噪声在内的Alpha噪声和周期性干扰进行强有力的抑制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明基座的局部剖视图；

图3是本发明测量支架收回示意图；

图4是本发明测量支架伸出示意图；

图5是本发明旋转电机示意图；

图6是本发明测量状态参考图；

图7是本发明电路系统结构框图；

图8是本发明流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，包括太阳能电池板1、太阳能电池板调节电机2、温度补偿模块安装块3、导轨上固定块4、可调限位块5、超声波探头6、辅助限位柱7、超声波探头安装支架8、联轴器9、旋转底盘10、温度补偿模块11、导向柱12、丝杠13、移动块14、丝杠电机15、安装底座16、测雪板17、导向套筒18、平面轴承19和旋转电机20，其中：

如图2所示，安装底座16与旋转底盘10之间采用平面轴承19连接，实现上下运动的差速，旋转电机20下方与安装底座16固定连接、上方电机轴与旋转底盘10连接，从而实现电机带动旋转底盘10及以上整体组件旋转，

丝杠电机15固定连接在旋转底盘10内，丝杠13与丝杠电机15采用联轴器9连接，导向柱12下端与旋转底盘10固定连接、上端与导轨上固定块4固定连接，移动块14与丝杠13螺纹连接、并且通过导向套筒18与导向柱12滑动连接，超声波探头安装支架8与移动块14转动连接，超声波探头6与超声波探头安装支架8前端固定连接，可调限位块5安装在导向柱12上，辅助限位柱7与可调限位块5转动连接，丝杠电机15带动丝杠13旋转，从而将移动块14向上或向下移动，移动块14带动超声波探头安装支架8及超声波探头6移动，超声波探头安装支架8绕辅助限位柱7旋转，移动块14移动到上限位时，超声波探头安装支架8整体变为与地面水平，从而便于进行下一步测量，测量支架收回、伸出示意图如图3、4所示；测雪板17套接在安装底座16的外部；

太阳能电池板调节电机、温度补偿模块11分别安装在温度补偿模块安装块3上，该温度补偿模块安装块3通过螺栓连接在导轨上固定块4上，太阳能电池板调节电机2通过电机轴与太阳能电池板1转动连接，太阳能电池板调节电机2通过电机轴的旋转带动太阳能电池板1绕轴旋转，实现太阳能电池板1的不同角度的调节。

在待测量状态，丝杠电机15带动移动块14移动至丝杠13最下方，保证超声波探头安装支架8及相关组件收回在支架内，不会对周围正常落雪产生影响，同时旋转电机20和太阳能电池板调节电机2配合，将太阳能电池板以最大效率对自带电池进行充电，直至电量充满。当需要测量落雪深度时，丝杠电机带动15带动移动块14移动至丝杠13的上限位位置，此时超声波探头安装支架8与地面水平，可以进行常规测量，为取得测量支架附近的雪深平均值，旋转电机可以带动超声波探头安装支架8及相关组件绕旋转中心旋转定位测量，避免因局部地形变化或干扰对整体测量产生影响。

一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量方法，包括下列步骤：

步骤一、将基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置上电后，对各模块进行初始化；

步骤二、温度补偿模块读取当前测量区域的温度，结合超声波在空气中的传播速度与空气的关系，修正超声波在空气中的传播速度；

超声波在空气中的传播速度v与温度的关系表达式如下所示：

V＝331.4(Ta/273.15)

Ta＝273.15+t₀

式中，Ta表示华氏温度，t₀表示摄氏温度；

步骤三、超声波探头发射超声波，超声波在空气中传播，接收遇到积雪表面反射回来回波信号，采用声波回波信号模型与归一化互相关时延估计算法相结合对时间延迟T进行计算，实现对接收信号数字量进行时延估计，具体方法如下：

(1)超声波回波信号的模型

超声波回波信号的高斯模型可表示为：

θ＝[α τ f_c φ β]

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，θ表示[α τ f_c φ β]的参数合集，t表示信号时间，S(θ,t)表示超声波回波信号高斯模型的幅度；

根据超声波回波信号的高斯模型，超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)

y(t)＝s(t-T)+m(t)+n(t)

其中：

m(t)＝A*cos(2πf_mt)

式中：s(t)为驱动信号，m(t)为与驱动信号频率不同的周期性干扰，是气象仪器测试站中其他测量仪器对超声波雪深测量系统产生的干扰，A和f_m分别是周期性干扰信号的幅值和频率，n(t)为符合Alpha稳定分布的噪声，T为待测时间延迟；

(2)基于归一化互相关的声波信号时延估计方法

根据归一化互相关函数定义，超声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的归一化互相关函数r_yx(τ)表达式可写为：

式中E[·]代表求取期望，由于x(t)、m(t)、n(t)三者相互独立，则上式可表示为：

经化简，超声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的归一化互相关函数r_yx(τ)样本估计

可表示为：

由于信号具有平稳遍历性，当N足够大时，下式存在：

则归一化互相关样本估计可表示为：

根据归一化函数定义和相关函数的性质可知：

因此

在τ＝T时取得最大值；

由上式可知，对归一化相关函数

进行峰值搜索，获得最大值点所在的位置，得到本次测量的时间延迟T值；

步骤四、对雪深测量数据h进行计算

h＝D-H＝D-VT

式中，D为测量装置到雪尺零点的距离，单位为m；H为测量装置到积雪表面的距离，单位为m；V为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s，将计算结果传递给微处理器模块并保存；

步骤五、电机控制雪深测量装置顺时针依次旋转90度、180度、270度，并重复步骤二、步骤三、步骤四，一共得到四组不同位置的雪深测量数据，对四组数据求取平均值，获得测量区域的雪深测量结果，将最终测量结果传递给微处理器模块并保存，结束测量。

Claims (4)

1.一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置，其特征在于：包括太阳能电池板、太阳能电池板调节电机、温度补偿模块安装块、导轨上固定块、可调限位块、超声波探头、辅助限位柱、超声波探头安装支架、联轴器、旋转底盘、温度补偿模块、导向柱、丝杠、移动块、丝杠电机、安装底座、测雪板、导向套筒、平面轴承和旋转电机，其中安装底座与旋转底盘之间采用平面轴承连接，旋转电机下方与安装底座固定连接、上方电机轴与旋转底盘连接，丝杠电机固定连接在旋转底盘内，丝杠与丝杠电机采用联轴器连接，导向柱下端与旋转底盘固定连接、上端与导轨上固定块固定连接，移动块与丝杠螺纹连接、并且通过导向套筒与导向柱滑动连接，超声波探头安装支架与移动块转动连接，超声波探头与超声波探头安装支架前端固定连接，可调限位块安装在导向柱上，辅助限位柱与可调限位块转动连接，测雪板套接在安装底座的外部，太阳能电池板调节电机、温度补偿模块分别安装在温度补偿模块安装块上，该温度补偿模块安装块通过螺栓连接在导轨上固定块上，太阳能电池板调节电机通过电机轴与太阳能电池板转动连接。

2.采用如权利要求1所述的一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：

步骤一、将基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置上电后，对各模块进行初始化；

步骤二、温度补偿模块读取当前测量区域的温度，结合超声波在空气中的传播速度与空气的关系，修正超声波在空气中的传播速度；

步骤三、超声波探头发射超声波，超声波在空气中传播，接收遇到积雪表面反射回来回波信号，采用声波回波信号模型与归一化互相关时延估计算法相结合对时间延迟T进行计算，实现对接收信号数字量进行时延估计；

步骤四、对雪深测量数据h进行计算

h＝D-H＝D-VT

式中，D为测量装置到雪尺零点的距离，单位为m；H为测量装置到积雪表面的距离，单位为m；V为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s，将计算结果传递给微处理器模块并保存；

步骤五、电机控制雪深测量装置顺时针依次旋转90度、180度、270度，并重复步骤二、步骤三、步骤四，一共得到四组不同位置的雪深测量数据，对四组数据求取平均值，获得测量区域的雪深测量结果，将最终测量结果传递给微处理器模块并保存，结束测量。

3.根据权利要求2所述的一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤二中，超声波在空气中的传播速度v与温度的关系表达式如下所示：

V＝331.4(Ta/273.15)

Ta＝273.15+t₀

式中，Ta表示华氏温度，t₀表示摄氏温度。

4.根据权利要求2所述的一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤三中，具体方法如下：

(1)超声波回波信号的模型

超声波回波信号的高斯模型可表示为：

θ＝[α τ f_c φ β]

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，θ表示[α τ f_c φ β]的参数合集，t表示信号时间，S(θ,t)表示超声波回波信号高斯模型的幅度；

根据超声波回波信号的高斯模型，超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)

y(t)＝s(t-T)+m(t)+n(t)

其中：

m(t)＝A*cos(2πf_mt)

式中：s(t)为驱动信号，m(t)为与驱动信号频率不同的周期性干扰，是气象仪器测试站中其他测量仪器对超声波雪深测量系统产生的干扰，A和f_m分别是周期性干扰信号的幅值和频率，n(t)为符合Alpha稳定分布的噪声，T为待测时间延迟；

(2)基于归一化互相关的声波信号时延估计方法

根据归一化互相关函数定义，超声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的归一化互相关函数r_yx(τ)表达式可写为：

式中E[·]代表求取期望，由于x(t)、m(t)、n(t)三者相互独立，则上式可表示为：

经化简，超声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的归一化互相关函数r_yx(τ)样本估计

可表示为：

由于信号具有平稳遍历性，当N足够大时，下式存在：

则归一化互相关样本估计可表示为：

根据归一化函数定义和相关函数的性质可知：

因此

在τ＝T时取得最大值；

由上式可知，对归一化相关函数

进行峰值搜索，获得最大值点所在的位置，得到本次测量的时间延迟T值。

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