CN207689518U

CN207689518U - 三维空间来风的风速测量系统

Info

Publication number: CN207689518U
Application number: CN201820045046.9U
Authority: CN
Inventors: 李新波; 朱阁彦; 郭晨; 王英伟; 西继东; 李厚禹; 于润泽; 刘帅
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2018-08-03
Anticipated expiration: 2028-01-11

Abstract

本实用新型公开一种三维空间来风的风速测量系统，所述三维空间来风的风速测量系统包括：第一超声波传感器；四个第二超声波传感器，各第二超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy平面内，均匀排列形成第一四元弧阵列；四个第三超声波传感器，各第三超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列形成第二四元弧阵列；数据处理器，分别与各所述第二超声波传感器、各所述第三超声波传感器连接。本实用新型通过一发八收的超声波传感器阵列进行风速风向检测，无转动部件，对风信息的改变反应灵敏，无机械磨损，维护成本低，使用寿命长，进而通过数据处理器确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角，快速准确，精度高。

Description

三维空间来风的风速测量系统

技术领域

本实用新型涉及三维测风技术领域，特别是涉及一种三维空间来风的风速测量系统。

背景技术

风是一种很常见的自然现象，在气象、航空、军事、高铁、航海和武器发射校准等方面，对风速和风的空间来向的准确测量要求很高。目前国内市场上主要有非超声波测风仪和超声波测风仪两大类。非超声波测风仪主要包括机械式测风仪、热敏式测风仪、多普勒激光测风仪等。其中机械式测风仪则由于其内部含有转动模块，故而反应速度慢，有机械磨损，且容易损坏，寿命较短，而且还只能测试出二维空间中风速风向信息，但优点在于成本较低。而热敏式测风仪则由于原理缺陷，其测量范围和测量精度都较低。其优点是体积小，有可伸缩探头，可在小空间内进行测量。多普勒激光测风仪一般成本高昂，体积偏大，多是通过车载移动，常用在大型活动的气象探测，难以推广，但其优点是采集信息范围广，数据精确。

相对与非超声波测风仪来说，超声波测风仪的市场占有率更大，超声波测风仪也有一维、二维、三维之分，且随着维度的增加，其价格也逐渐变得昂贵。其中超声波一维测风仪和超声波二维测风仪相对于非超声波测风仪来说，测量精度会较高，且体积小，容易便携，但并不能获取空间中来风的三维信息，在某些领域并不适用；而对于超声波三维测风仪来说，获取的空间风信息更多。

但目前市场上超声波三维测风仪，还大多是基于时差法来测量出x,y,z轴上的速度分量，在通过空间矢量合成来得到空间来风的信息，其测量精度较大程度上依赖于对超声波信号从发射超声波信号的传感器传播到接收超声波信号的传感器之间的传播时间(即度越时间)的测量精度，和硬件的工作性能，影响因素较多，导致测量精度较低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种三维空间来风的风速测量系统，可提高在三维空间中的测量精度。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种三维空间来风的风速测量系统，所述三维空间来风的风速测量系统包括：

第一超声波传感器，用于发射超声波信号；

四个第二超声波传感器，各所述第二超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy平面内，均匀排列形成第一四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；

四个第三超声波传感器，各所述第三超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列形成第二四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；

数据处理器，分别与各所述第二超声波传感器、各所述第三超声波传感器连接，用于根据各所述第二超声波传感器接收到的超声波信号以及各所述第三超声波传感器接收到的超声波信号，确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角。

可选的，所述数据处理器为STM32系列的单片机。

可选的，各所述第二超声波传感器到第一超声波传感器的距离、各所述第三超声波传感器到第一超声波传感器的距离的分别为10cm。

可选的，所述第一四元弧阵列中相邻两个第二超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角、所述第二四元弧阵列中相邻两个第三超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角分别为20°。

可选的，所述第一超声波传感器的型号为MA40S4S，各所述第二超声波传感器、各所述第二超声波传感器的型号分别为MA40S4R。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型通过一发八收的超声波传感器阵列进行风速风向检测，无转动部件，对风信息的改变反应灵敏，无机械磨损，维护成本低，使用寿命长，进而通过数据处理器确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角，快速准确，精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型三维空间来风的风速测量系统中各个超声波传感器的布置图；

图2为本实用新型三维空间来风的风速测量系统的测量方法的流程图；

图3为本实用新型三维空间来风的风速测量系统的测量方法的具体实施例流程图；

图4为空间风的投影图；

图5为空间风在xoy平面上的投影图；

图6为空间风在yoz平面上的投影图；

图7为不同风速均方根的误差对比图；

图8为不同风向交的均方根误差对比图；

图9为不同俯仰角的均方根误差对比图。

符号说明：

11—第二超声波传感器，12—第二超声波传感器，13—第二超声波传感器， 14—第二超声波传感器，21—第三超声波传感器，22—第三超声波传感器，23—第三超声波传感器，24—第三超声波传感器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种三维空间来风的风速测量系统，通过一发八收的超声波传感器阵列进行风速风向检测，无转动部件，对风信息的改变反应灵敏，无机械磨损，维护成本低，使用寿命长，进而通过数据处理器确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角，快速准确，精度高。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型三维空间来风的风速测量系统包括第一超声波传感器，用于发射超声波信号；四个第二超声波传感器(如图1所示，第二超声波传感器11、第二超声波传感器12、第二超声波传感器13及第二超声波传感器14)，各所述第二超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy 平面内，均匀排列形成第一四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；

四个第三超声波传感器(如图1所示，第三超声波传感器21、第二超声波传感器22、第二超声波传感器23及第二超声波传感器24)，各所述第三超声波传感器以所述第一超声波传感器为原点O，在yoz平面内，均匀排列形成第二四元弧阵列，用于接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；

其中，各所述第二超声波传感器到第一超声波传感器的距离R、各所述第三超声波传感器到第一超声波传感器的距离R的分别为10cm。所述第一四元弧阵列中相邻两个第二超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角α、所述第二四元弧阵列中相邻两个第三超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角α分别为20°。进一步地，所述第一超声波传感器的型号为MA40S4S，各所述第二超声波传感器、各所述第二超声波传感器的型号分别为MA40S4R。其中，所述数据处理器为数据处理器有很多种，可以为FPGA或者STM32系列的单片机。

此外，本实用新型还提供一种三维空间来风的风速测量系统的测量方法。如图2和图3所示，本实用新型三维空间来风的风速测量系统的测量方法包括：

步骤100：布置超声波传感器：以所述第一超声波传感器为原点O，在xoy 平面内，均匀排列四个第二超声波传感器形成第一四元弧阵列，以接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；以所述第一超声波传感器为原点O，在 yoz平面内，均匀排列四个第三超声波传感器形成第二四元弧阵列，以接收所述第一超声波传感器发射的超声波信号；

步骤200：根据各所述第二超声波传感器接收到的超声波信号以及各所述第三超声波传感器接收到的超声波信号，确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角。

其中，如图4所示，空间风在水平面xoy上的投影矢量以极坐标的形式表示为(V1,θ)，在垂直面yoz上的投影矢量以极坐标的形式表示为以空间直角坐标系的第一、二、三、四象限为基准，在水平面xoy面上以y轴正方向顺时针旋转到投影矢量位置所形成的偏转角度θ为风的水平方位角(如图5所示)。以空间直角坐标系的第二、三、六、七象限为基准，在垂直面yoz面上以y轴正方向顺时针旋转到投影矢量位置所形成的偏转角度为风的垂直方位角(如图6所示)。而空间风矢量的俯仰角为矢量来向与z轴正方向之间的夹角，设为且

极坐标系下的形式表示空间矢量在水平面xoy上的投影矢量(V1,θ)，和垂直面yoz上的值已知。则根据数学中空间矢量分解的方法可知，球坐标系下的空间矢量的终点在直角坐标系下x,y,z轴上的投影坐标可以分别表示为：

V_x＝V1sinθ……………………(1)；

所以球坐标下空间矢量也可以在空间直角坐标系中表示为：

且该矢量的长度为：

空间矢量的来向与z轴正方向之间所成夹角的余弦值可表示为：

则其夹角可表示为：

即可通过空间来风在水平面xoy，和垂直面yoz上的投影矢量来确定原来的空间矢量表达形式。

基于上述论述，分别确定空间来风在平面xoy和垂直面yoz上面的投影分量的情况。

设空间有一包含信息为的来风如图4所示：

其中，V1为该空间来风的风速在平面xoy上投影所得的水平风速分量，θ为水平面xoy面上以y轴正方向顺时针旋转到投影矢量位置所形成的偏转角度，θ为风的水平方位角。则该空间来风在平面xoy上投影所得的风速分量在第二超声波传感器11、第二超声波传感器12、第二超声波传感器13、第二超声波传感器14风速的分量为：

同理可知，以空间直角坐标系的第二、三、六、七象限为基准，则该风在yoz 平面上的投影如图5所示：

其中，V2为该空间风的风速在平面yoz上投影所得的垂直风速分量，为水平面yoz面上以y轴正方向顺时针旋转到投影矢量位置所形成的偏转角度，为风的垂直方位角。则该空间风在在平面yoz上投影所得的风速分量在第三超声波传感器21、第三超声波传感器22、第三超声波传感器23、第三超声波传感器24上风速的分量分别为：

下面介绍基于该一发八收的空间超声波传感器阵列结构及波束形成算法实现风速风向测量的具体方法和实现过程。

将第一超声波传感器发射的超声波信号以窄带信号形式可表示为：

u(t)为发射信号的幅度，称为慢变幅度调制函数(或称实包络)；为发射信号的相位，称为慢变相位调制函数；w＝2πf，f＝40kHz为入射信号的频率；

τ为距离基准时刻t的时间长度。

而u(t-τ)≈u(t)............................(18)；

则由上面四个式子可知：

s₁(t-τ)＝s(t)e^-jwτ............................(20)；

此时8个超声波传感器阵元(即第二超声波传感器11、第二超声波传感器12、第二超声波传感器13及第二超声波传感器14、第三超声波传感器21、第二超声波传感器22、第二超声波传感器23及第二超声波传感器24的输出信号为：

n_ij(t)为第i个阵列的第j个阵元接收到的噪声，且各阵元接收的噪声之间彼此独立。τ_ij表示信号到达第i个阵列的第j个阵元相对于第i个阵列的参考阵元的时延。其中，i＝1或2，j＝1,2,3,4；即，第i个阵列表示第一四元弧阵列或第二四元弧阵列，阵元表示对应阵列中的超声波传感器，下角标ij为各超声波传感器的位置标号。

以矢量形式表示第一四元弧阵列接收到的信号为：

x₁(t)＝A₁s(t)+n₁(t)............................(22)；

其中为第一四元弧阵列的流型矢量表示形式。

同理可知：以矢量形式表示第二四元弧阵列的输出信号为：

x₂(t)＝A₂s(t)+n₂(t)............................(23)；

其中为第二四元弧阵列的流型矢量表示形式。

而发射信号传播到阵元ij的时间为：

其中i＝1,2，j＝1,2,3,4，c＝340m/s为理想情况下声波的传播速度，V_ij表示空间风分别在水平面和垂直面上向第i个阵列的第j个阵元方向上的传播速度，R＝10cm为各阵列阵元到信源的距离。以序号为11的第二超声波传感器为第一四元弧阵列中各阵元的基准阵元，那么第一四元弧阵列中各阵元与基准阵元之间的时延τ_1j为：

τ₁₁＝0.........................................(25)；

其中，下角标1j为各第二超声波传感器的位置标号，j＝1,2,3,4，第一基准阵元为位置标号为11的第二超声波传感器。

所以：

即可认为A₁是第一四元弧阵列的阵列流型矢量。且在第一四元弧阵列的结构确定的前提下，第一四元弧阵列的阵列流型A₁仅与时延τ_1i有关，而τ_1i是由空间来风投影在水平面xoy上的水平风速分量V1和投影在水平面xoy上的垂直方位角θ来确定的。

反过来说，也即阵列流型矢量A₁的确定，也就说明了空间来风投影在水平面xoy上的水平风速分量V1和投影在水平面xoy上的风的水平方位角θ的确定，即可用阵列流型矢量A₁，也就是a(θ,V1)来表示空间来风投影在水平面xoy上的风速分量和风向角信息。

而基于波束形成的最佳权矢量的方法可知：若空间中只有一个来自方向的电波θ_k，其方向矢量为a(θ_k)，则当权矢量W取作a(θ_k)时，输出最大 y(n)＝a(θ_k)^Ha(θ_k)＝M。因此，取加权矢量W1＝a(θ,V1)时，可使第一四元弧阵列的输出y₁(n)＝a(θ,V1)^Ha(θ,V1)最大；同理可知，取加权矢量时，可使第二四元弧阵列的输出达到最大。

因此，第一四元弧阵列和第二四元弧阵列的加权矢量分别取为第一四元弧阵列和第二四元弧阵列的阵列流型矢量形式，即：

而第一四元弧阵列的阵列输出以矢量形式表示为式(9)，即：

x₁(t)＝A₁s(t)+n₁(t) (9)

且对第一四元弧阵列而言，本次的期望信号可认为只有一个，即为空间来风在水平面xoy上投影所得的具有二参数风速与风向信息的空间风分量信号。根据波束形成算法可知，第一四元弧阵列的各阵元输出经加权求和可表示为：

以矢量形式表示为：

y₁(t)＝a(θ,V1)^Hx(t)＝W1^Hx₁(t)..........(32)。

此时可得到第一四元弧阵列的常规波束形成器的输出功率为：

P₁(θ,V1)＝E[y₁(t)²]＝W1^HK₁W1＝a^H(θ,V1)K₁a(θ,V1).......(33)。

矩阵K₁为第一四元弧阵列的输出信号x₁(t)的协方差矩阵，即

K₁＝E(x₁(t)x₁ ^H(t))..........................(34)。

此时，将第一四元弧阵列的各阵元的输出进行了加权求和，即在一时间内将天线阵列波束“导向”到了同一方向，然后只需要上遍历空间来风在水平面xoy上的水平风速分量V1和在水平面xoy上的风的水平方位角θ，选择在功率谱P₁(θ,V1)最大值处对应的V1和θ便可估计出空间来风在水平面xoy上的水平风速分量V1和在水平面xoy上的风的水平方位角θ。

同理可知，对于第二四元弧阵列来说，以序号为21的第三超声波传感器阵元为第二四元弧阵列中各阵元的基准阵元，那么第二四元弧阵列中各阵元与第二四元弧阵列的基准阵元之间的时延τ_2j为：

τ₂₁＝0......................................(35)；

其中，下角标2j为各第三超声波传感器的位置标号，j＝1,2,3,4，第二基准阵元为位置标号为21的第三超声波传感器。

所以：

即可认为A₂是第二四元弧阵列的阵列流型矢量。

同理，第二四元弧阵列的加权矢量可认为是与第二四元弧阵列的阵列流型矢量形式一致的矢量采用波束形成算法计算第二四元弧阵列的输出，进而得到第二四元弧阵列的常规波束形成器的输出功率，便可在同一时间内将第二四元弧阵列的波束“导向”到期望方向上。然后只需要遍历空间来风在垂直面yoz上投影所得的垂直风速分量V2和在yoz面上投影得到的风的垂直方位角选择在功率谱最大值处对应的V2和便可估计出空间来风投影在垂直面yoz上的垂直风速分量V2和垂直方位角

其中，第二四元弧阵列的常规波束形成器的输出功率为：

矩阵K₂为第二四元弧阵列的输出信号x₂(t)的协方差矩阵，即

K₂＝E(x₂(t)x₂ ^H(t))..........................(40)；

其中，H表示共轭矩阵，E(·)表示期望函数。

经过上面两步，便可确定参数V1,V2,θ,的值，然后根据空间矢量分解的关系式，确定空间来风的风速V、俯仰角以及在水平面上方位角θ。

所述根据所述水平风速分量V1、水平方位角θ、垂直风速分量V2及垂直方位角确定三维空间中来风的风速、方位角及俯仰角，具体包括：

(1)所述水平方位角θ为三维空间中来风的方位角。

(2)由于该空间风矢量在水平面xoy上和垂直面yoz上的矢量分量 (V1,θ)和的值已知，所以该空间矢量的终点在x,y,z轴上的分量可以分别表示为：

V_x＝V1sinθ.......................(1)；

所以空间来风矢量在直角坐标系下的表示形式可以为：

且该矢量的长度可表示为：

则其夹角可表示为：

综上可表示出空间矢量的三个参数值，即空间风矢量的风速大小和方位信息。

为了验证该算法的可行性，设计了验证可行性的仿真实验，仿真实验在 matlab软件上进行，模拟发射的超声波信号的信号频率为40KHz，弧形半径 R＝10cm，超声波信号的接收为近场环境，即认为超声波传感器发射的超声波信号为球面波，阵元噪声为加性高斯白噪声。空间来风的风速扫描范围为 0～60m/s，步长为0.1m/s；投影在水平面xoy上的方位角θ的扫描范围为 0～359°，步长为1度；空间俯仰角的范围为0～179°；快拍数为5000，在信噪比SNR＝10dB时，分别估计以下随机的三组风速风向参数：

(1)V＝15m/s，theta＝63°，

(2)V＝32m/s，theta＝127°，

(3)V＝58m/s，theta＝265°，

三组参数的实验结果分别为：

(1)V＝15.0106m/s，theta＝63°，

(2)V＝31.8979m/s，theta＝127°，

(3)V＝57.9225m/s，theta＝264°，

由仿真结果可知，在信噪比snr＝10dB时，空间风的风速误差在0.2m/s之内，小于最小测风仪的最小启动风速；方位角和俯仰角的误差也都在0.2°范围之内，所以可认为，在一定的误差允许范围内，本实用新型提出的方法是可行的。

但是，由于环境噪声的存在，估计结果会有一定的误差，进一步，通过分析随信噪比变化时空间来风的风速、方位角和俯仰角的均方根误差，确定在不同信噪比的条件下参数估计结果的准确度。在每个不同的信噪比下做400次独立循环实验，并定义误差方根公式为：

其中n为实验次数；i＝1～n；x_i为第i次实验结果，为参数真值；则三组参数的均方根误差值随信噪比的变化情况。

如图7所示：在信噪比snr＜10dB时，风速越小，则估计结果的误差方根便越小；当snr＞10dB时，其误差方根值仅在小范围内变化，且随着信噪比的增大，其误差方根值趋向稳定。总体上来说，图7表明：在一定的误差允许范围内，本次所提方法可以对空间来风的风速实现准确估计。

如图8所示可知，在信噪比snr＜10dB时，对于大风向角θ＝265°该参数值，其估计结果的误差方根值在0.2度之内波动；当snr＞10dB时，其估计结果的误差方根值随着信噪比的增加而减少，且当信噪比达到一定值时，其误差方根值趋于稳定；对于参数θ＝127°的估计来说，在本次试验中，属于无差估计；对于参数θ＝63°来说，其估计结果的误差方根值的总体变化趋势是随着信噪比的增加而不断减小，并在信噪比达到一定值时，其误差方根值趋于稳定。总体上来说，图8表明：在一定的误差允许范围内，本次所提方法可以对空间来风的方位角信息实现准确估计。

如图9所示，对于参数和参数来说，在信噪比 snr＜10dB时，其估计结果的误差值会随着信噪比的增加而减小；当信噪比 snr＞10dB时，其估计结果的误差值趋于稳定；总体上来说，图9表明了：一定的误差允许范围内，本次所提方法可以对空间来风的俯仰角信息实现准确估计。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims

1.一种三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，所述三维空间来风的风速测量系统包括：

第一超声波传感器，用于发射超声波信号；

2.根据权利要求1所述的三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，所述数据处理器为STM32系列的单片机。

3.根据权利要求1所述的三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，各所述第二超声波传感器到第一超声波传感器的距离、各所述第三超声波传感器到第一超声波传感器的距离的分别为10cm。

4.根据权利要求1所述的三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，所述第一四元弧阵列中相邻两个第二超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角、所述第二四元弧阵列中相邻两个第三超声波传感器与第一超声波传感器连线的夹角分别为20°。

5.根据权利要求1所述的三维空间来风的风速测量系统，其特征在于，所述第一超声波传感器的型号为MA40S4S，各所述第二超声波传感器、各所述第二超声波传感器的型号分别为MA40S4R。