三維超聲陣列風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法

李新波,朱閣彥,李厚禹,賈云龍

(吉林大學(xué)通信工程學(xué)院,130022,長春)

風(fēng)是一種由許多在時(shí)空上隨機(jī)變化的小尺度脈動(dòng)疊加而成的自然現(xiàn)象,也是在大尺度規(guī)則氣流上的一種三維矢量,主要包括風(fēng)速、風(fēng)向角和俯仰角這3個(gè)參數(shù)。作為一種很常見的自然現(xiàn)象,風(fēng)的準(zhǔn)確測(cè)量在工業(yè)、氣象和航運(yùn)等領(lǐng)域中,正發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]。近年來,基于超聲檢測(cè)的風(fēng)參數(shù)測(cè)量技術(shù)越來越成熟,且與基于機(jī)械式、熱敏式和激光多普勒式等的測(cè)風(fēng)技術(shù)相比,具有無磨損、測(cè)量范圍大和維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì),因此被廣泛關(guān)注[4-8]。在測(cè)風(fēng)技術(shù)中,最常用的測(cè)風(fēng)方法是時(shí)差法[9-11],即通過測(cè)量在順風(fēng)和逆風(fēng)情況下,超聲波信號(hào)在傳感器發(fā)射端和接收端之間傳播的不同時(shí)間來進(jìn)行風(fēng)參數(shù)的測(cè)量,因此基于時(shí)差法的測(cè)風(fēng)儀器的測(cè)量精度完全取決于超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量精度,但由于環(huán)境噪聲的影響,想要通過儀器精準(zhǔn)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間并不容易。相對(duì)于平面風(fēng)參數(shù)測(cè)量,國內(nèi)外對(duì)空間三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量的研究較少。鄧云逸等利用正四面體的超聲波傳感器陣列結(jié)構(gòu),并依據(jù)時(shí)差法的測(cè)量原理,分別測(cè)出水平面和垂直面的風(fēng)速風(fēng)向,然后通過矢量合成得到了空間三維風(fēng)參數(shù)[12];Frank等通過聯(lián)合安裝在水平面和垂直面上的測(cè)風(fēng)儀的測(cè)量結(jié)果,利用空間三維矢量合成計(jì)算出了三維風(fēng)參數(shù)[13];Lopes等討論分析了超聲測(cè)風(fēng)儀結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)風(fēng)精度的影響,并提出了一種幾何結(jié)構(gòu)非正交的超聲測(cè)風(fēng)儀,顯著提高了基于時(shí)差法進(jìn)行風(fēng)參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性[14]。但是,這些研究還是在基于時(shí)差法進(jìn)行平面風(fēng)參數(shù)測(cè)量的基礎(chǔ)上,通過空間矢量的分解與合成計(jì)算出三維風(fēng)參數(shù),并沒有克服基于時(shí)差法進(jìn)行風(fēng)參數(shù)測(cè)量的弊端。Li等在2015年提出利用陣列信號(hào)處理算法中的多重信號(hào)分類(multiple signal classification,MUSIC)的思想來計(jì)算風(fēng)參數(shù),該方法通過提取特征子空間和掃描功率譜來估計(jì)平面風(fēng)參數(shù),結(jié)果表明,所提方法相對(duì)于傳統(tǒng)的時(shí)差法在抑制噪聲和提高測(cè)量精度方面都有很大的優(yōu)越性[15],但MUSIC算法需要對(duì)陣列接收信號(hào)進(jìn)行奇異值分解[16],較大的計(jì)算量在一定程度上限制了實(shí)際應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

本文將陣列信號(hào)處理中典型的波束形成算法應(yīng)用到三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域,在計(jì)算量相對(duì)較小的情況下,實(shí)現(xiàn)了三維風(fēng)參數(shù)的測(cè)量。首先,設(shè)計(jì)了一種空間超聲波傳感器陣列結(jié)構(gòu),并基于該結(jié)構(gòu)分析了利用波束形成算法進(jìn)行三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量的原理。然后,在Matlab軟件中進(jìn)行了所提測(cè)風(fēng)方法的可行性實(shí)驗(yàn)及測(cè)量性能實(shí)驗(yàn)。最后,搭建了三維超聲測(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)三維空間風(fēng)進(jìn)行了實(shí)物測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

1 超聲陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)風(fēng)原理

1.1 超聲陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維超聲測(cè)風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元以及支撐單元。超聲波發(fā)射單元包括1個(gè)超聲波發(fā)射傳感器,也稱發(fā)射陣元,能在激勵(lì)信號(hào)的作用下產(chǎn)生振動(dòng),發(fā)射出特定頻率的超聲波信號(hào)。超聲波接收單元由8個(gè)超聲波接收傳感器(a1～a4,b1～b4)組成,每4個(gè)組成一組,分別安裝在相互垂直的弧形支撐架上,用來接收發(fā)射陣元所發(fā)射的超聲波信號(hào),超聲波接收傳感器也稱接收陣元,發(fā)射陣元和接收陣元是型號(hào)相同、且都具有收發(fā)一體化功能的超聲波傳感器。支撐單元是支撐架,用來連接、支撐和固定各個(gè)超聲波傳感器之間的相對(duì)位置。

圖1 三維超聲測(cè)風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知:處于垂直面yoz上的4個(gè)接收陣元a1、a2、a3、a4組成子陣列Aa,處于水平面xoy上的4個(gè)接收陣元b1、b2、b3、b4組成子陣列Ab,子陣列Aa和子陣列Ab共同組成該測(cè)風(fēng)裝置的傳感器陣列A;在同一子陣列中,任意兩個(gè)相鄰的接收陣元與發(fā)射陣元之間連線的夾角為20°;發(fā)射陣元到各接收陣元之間的距離相等,即8個(gè)接收陣元在同一個(gè)以發(fā)射陣元o為圓心、r為半徑的球面上。根據(jù)該測(cè)風(fēng)裝置的各陣元之間的相對(duì)結(jié)構(gòu)可知:當(dāng)無風(fēng)時(shí),從發(fā)射陣元發(fā)射的超聲波信號(hào)同時(shí)傳播到8個(gè)接收陣元;當(dāng)有風(fēng)時(shí),超聲波信號(hào)受風(fēng)的影響,傳播速度發(fā)生變化,從而到達(dá)各接收陣元的時(shí)間不一致。

1.2 基于波束形成算法的測(cè)風(fēng)原理

超聲波在空氣中傳播時(shí),風(fēng)速會(huì)在其聲速上疊加,使超聲波傳播速度變快或變慢。因此,利用超聲波傳播速度和超聲波聲速之間的關(guān)系,便能測(cè)量出風(fēng)參數(shù)[17]。

由于超聲波聲速c會(huì)受到傳播介質(zhì)的溫度、濕度等因素的影響,因此有必要其進(jìn)行修正來提高測(cè)風(fēng)裝置的測(cè)量精度[18]。目前,關(guān)于超聲波聲速與溫度之間關(guān)系的研究較為成熟,工程上常用的表述溫度T與超聲波聲速c之間的經(jīng)驗(yàn)公式[10]為

(1)

本文用式(1)來修正超聲波聲速,下文中所使用的c即為修正之后的超聲波聲速。

空間風(fēng)的來向可用圖2表示,圖中:V為風(fēng)速;θ為風(fēng)向角;φ為俯仰角,0°≤φ≤180°;α為在同一子陣列中的任意兩個(gè)相鄰的接收陣元與發(fā)射陣元之間連線的夾角,α=20°;Va為空間來風(fēng)在垂直面yoz上的風(fēng)速分量;Vb為空間來風(fēng)在水平面xoy上的風(fēng)速分量。根據(jù)空間幾何分解的相關(guān)知識(shí)可知,Vb在水平面xoy上的分量如圖3所示,Vb1～Vb4分別表示4個(gè)接收陣元方向的風(fēng)速分量。

圖2 空間風(fēng)來向圖

圖3 Vb在水平面xoy上的分量示意圖

空間風(fēng)在xoy平面上各接收陣元方向上的風(fēng)速分量可表示為

(2)

由于發(fā)射陣元所發(fā)射的超聲波信號(hào)s(t)為單頻窄帶信號(hào),因此可表示為

s(t)=u(t)ej[ω t+φ(t)]

(3)

式中:t為時(shí)間;u(t)為信號(hào)的幅度;φ(t)為信號(hào)的相位;角頻率ω=2πf,f=40 kHz為信號(hào)的頻率。

經(jīng)過時(shí)間延遲τ之后,超聲波信號(hào)可表示為

s(t-τ)=s(t)e-jωτ

(4)

子陣列Ab所接收的陣列信號(hào)xb(t)可表示為

(5)

式中:xbi為子陣列Ab中陣元bi所接收的超聲波信號(hào);nbi(t)為子陣列Ab中陣元bi上的空域采樣噪聲,且各陣元接收的噪聲彼此獨(dú)立;τi為超聲波信號(hào)傳播到陣元bi相對(duì)于傳播到參考陣元的時(shí)間延遲,簡(jiǎn)稱時(shí)延。

將式(5)以矢量形式表示,可以得到

xb(t)=s(t)Db+nb(t)

(6)

(7)

(8)

式中:Db為子陣列Ab的陣列流型矢量;nb(t)為子陣列Ab所接收的采樣噪聲的矢量形式。

超聲波信號(hào)從發(fā)射陣元傳播到子陣列Ab中的接收陣元bi(i=1,2,3,4)所需的時(shí)間ti可表示為

(9)

若將子陣列Ab中的接收陣元b4作為參考陣元,則時(shí)延可表示為

(10)

(11)

(12)

τ4=t4-t4=0

(13)

由以上分析可知,子陣列Ab的陣列流型矢量Db僅與時(shí)延τi有關(guān),而τi是由空間風(fēng)在平面xoy上的風(fēng)矢量分量信息風(fēng)速Vb和風(fēng)向θ確定的,所以在超聲波傳感器陣列結(jié)構(gòu)確定的前提下,子陣列Ab的陣列流型矢量Db直接由風(fēng)速Vb和風(fēng)向θ確定,即Db=Db(Vb,θ)。反過來說,確定了子陣列Ab的陣列流型矢量Db,也就確定了空間風(fēng)在平面xoy上的風(fēng)矢量分量信息風(fēng)速Vb和風(fēng)向θ。

根據(jù)波束形成算法中加權(quán)系數(shù)的常規(guī)確定方法可知,在空間陣列方向辨識(shí)應(yīng)用中,若空間中只有一個(gè)來自方向?yàn)棣萲的信號(hào)s(t),其方向矢量為a(θk),則當(dāng)加權(quán)矢量W取作a(θk)時(shí),陣列輸出為X(t)=WHs(t)=aH(θk)s(t),對(duì)其進(jìn)行功率求解后得到的功率最大[19-20]。類比這種思想,可認(rèn)為Db是風(fēng)速風(fēng)向矢量,當(dāng)取加權(quán)矢量W=Db時(shí),陣列輸出為y(t)=WHxb(t),此時(shí)進(jìn)行功率求解后功率最大。

根據(jù)常規(guī)波束形成算法,結(jié)合待估計(jì)參數(shù)為xoy平面上具有2參數(shù)的風(fēng)速風(fēng)向可知,子陣列Ab中各接收陣元所接收信號(hào)的加權(quán)輸出為

(14)

將式(14)以矢量表示,可以得到

(15)

此時(shí),子陣列Ab的陣列輸出功率為

P(θ,Vb)=E[y2(t)]=WHRW=

(16)

式中矩陣R為子陣列Ab的陣列接收信號(hào)xb(t)的協(xié)方差矩陣,即

(17)

根據(jù)式(16),在Vb、θ分別處于0～60 m/s和0～359°的范圍內(nèi),以確定步長遍歷風(fēng)速和風(fēng)向,即可得到子陣列Ab的陣列接收信號(hào)的輸出功率,其中最大功率所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速和風(fēng)向即為空間風(fēng)在水平面xoy上的風(fēng)矢量分量Vb和θ。

同理,對(duì)子陣列Aa接收的陣列信號(hào)做同樣的處理,便能確定出空間風(fēng)在垂直面yoz上的風(fēng)矢量分量信息風(fēng)速Va和風(fēng)向φyoz,本節(jié)不再贅述。

圖4 空間三維風(fēng)矢量的分解與合成示意圖

圖4是空間三維風(fēng)矢量的分解與合成示意圖,可以看出,在風(fēng)參數(shù)矢量信息(Vb,θ)和(Va,φyoz)已知的情況下,球坐標(biāo)系下的空間矢量(V,θ,φ)的終點(diǎn)在直角坐標(biāo)系下x、y、z軸上的投影坐標(biāo)可分別表示為

Vx=Vbsinθ

(18)

Vy=Vbcosθ=Vacosφyoz

(19)

Vz=Vasinφyoz

(20)

所以,球坐標(biāo)系下的空間矢量(V,θ,φ)也可以在空間直角坐標(biāo)系中表示為(Vbsinθ,Vacosφyoz,Vasinφyoz),該矢量的模為

(21)

空間風(fēng)矢量的來向與z軸正方向之間所成夾角φ的余弦值可表示為

(22)

夾角φ可表示為

(23)

通過上述分析可知,在已知空間三維風(fēng)矢量在水平面xoy和垂直面yoz上的風(fēng)矢量分量信息(Vb,θ)和(Va,φyoz)時(shí),便能確定出空間中的三維風(fēng)參數(shù),即風(fēng)速、風(fēng)向角和俯仰角。

2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 可行性實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文測(cè)風(fēng)方法的可行性,在Matlab軟件上進(jìn)行了可行性仿真驗(yàn)證。首先,隨機(jī)給出確定的空間風(fēng)矢量在水平面xoy和垂直面yoz上的風(fēng)矢量分量信息(Vb,θ)和(Va,φyoz),并計(jì)算出三維風(fēng)參數(shù)(V,θ,φ)作為真實(shí)空間中三維風(fēng)參數(shù)。然后,將子陣列Ab和Aa的陣列接收信號(hào)分別進(jìn)行波束形成算法處理,得到2個(gè)相互垂直平面上的風(fēng)矢量分量信息,并利用這2個(gè)風(fēng)矢量分量信息計(jì)算出空間三維風(fēng)參數(shù),以此作為仿真結(jié)果。最后,將仿真結(jié)果與真實(shí)結(jié)果(V,θ,φ)進(jìn)行比較,以此驗(yàn)證本文測(cè)風(fēng)方法的可行性。

實(shí)驗(yàn)條件如下:模擬發(fā)射的超聲波信號(hào)頻率為40 kHz;發(fā)射陣元到各接收陣元之間的距離為r=10 cm;各接收陣元上的噪聲為加性高斯白噪聲;速度的掃描范圍為0～60 m/s,步長為0.1 m/s;角度的掃描范圍為0～359°,步長為1°。當(dāng)快拍數(shù)為5 000、信噪比rsn=5 dB時(shí),仿真結(jié)果如表1所示。

表1 三維風(fēng)參數(shù)的真實(shí)值和仿真值

由仿真結(jié)果可知,當(dāng)信噪比rsn=5 dB時(shí),空間風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向角和俯仰角都能無差地估計(jì)出來。因此,可認(rèn)為本文提出的方法是可行的。

2.2 成功率實(shí)驗(yàn)

由于存在環(huán)境噪聲,估計(jì)結(jié)果相對(duì)于真實(shí)結(jié)果會(huì)有一定的偏差,為了驗(yàn)證本文方法的估計(jì)性能,設(shè)計(jì)了在不同信噪比下三維風(fēng)矢量估計(jì)結(jié)果成功率的實(shí)驗(yàn)。由于速度掃描步長為0.1 m/s、角度掃描步長為1°,所以在該實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)速度估計(jì)的誤差小于0.1 m/s、角度估計(jì)誤差小于1°時(shí),都認(rèn)為估計(jì)成功。

實(shí)驗(yàn)條件如下:信噪比rsn的取值范圍為-6～20 dB,步長為1 dB。在每個(gè)信噪比下做400次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn),分別估計(jì)可行性實(shí)驗(yàn)中的3組隨機(jī)參數(shù),結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 風(fēng)速估計(jì)成功率

圖6 風(fēng)向角估計(jì)成功率

圖7 俯仰角估計(jì)成功率

由仿真結(jié)果可知,在可接受誤差存在的前提下,三維風(fēng)參數(shù)的估計(jì)成功率隨著信噪比的增加而增加,且在信噪比rsn≥5 dB時(shí),成功率幾乎達(dá)到100%。

2.3 均方根誤差實(shí)驗(yàn)

為了討論估計(jì)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的偏差度,設(shè)計(jì)了在不同信噪比的條件下,三維風(fēng)矢量信息估計(jì)結(jié)果均方根誤差RMSE的仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件與2.2小節(jié)相同。均方根誤差的公式

(24)

圖8 風(fēng)速均方根誤差

圖9 風(fēng)向角均方根誤差

圖10 俯仰角均方根誤差

由仿真結(jié)果可知:在低信噪比條件下,速度的估計(jì)效果好于角度的估計(jì)效果;隨著信噪比的增加,三維風(fēng)參數(shù)的估計(jì)結(jié)果越來越趨向于真值,在信噪比大于5 dB時(shí),速度的均方根誤差小于0.1 m/s,角度的均方根誤差值小于1°。

通過以上3個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果可知,本文所提的測(cè)風(fēng)方法在理論上具有較好的三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量效果。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證本文提出的方法是否具有工程可實(shí)現(xiàn)性,搭建了基于超聲波傳感器陣列的三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖11所示。直流可調(diào)穩(wěn)壓電源(HY3005ET)為風(fēng)機(jī)提供穩(wěn)定的電壓,可調(diào)穩(wěn)壓電源(HSPY-200-02)作為控制單元(ATMEGA328P)的電源,使控制單元發(fā)送頻率為40 kHz的脈寬調(diào)制,并通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射陣元發(fā)射頻率為40 kHz的超聲波信號(hào)。風(fēng)洞的整體框架由透明的亞克力板制作而成,如圖12所示。當(dāng)測(cè)風(fēng)裝置置于風(fēng)洞中時(shí),發(fā)射陣元發(fā)射的超聲波信號(hào)在空氣中傳播會(huì)受風(fēng)的影響,從而傳播速度發(fā)生變化,所以超聲波信號(hào)在發(fā)射陣元和接收陣元之間的傳播時(shí)間就會(huì)發(fā)生變化,具體表現(xiàn)為接收信號(hào)之間相位差的變化。本實(shí)驗(yàn)采用4通道同步采樣的示波器(MSO7054B),同步采樣頻率為20 MHz,每路信號(hào)最多可同時(shí)采集1 000個(gè)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn),保存成.csv格式的文件。

圖11 三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞

3.2 風(fēng)洞中的風(fēng)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在采集信號(hào)之前,需要先將測(cè)風(fēng)裝置校準(zhǔn),使同一平面上4路通道所接收的信號(hào)在無風(fēng)時(shí)保持同相。但是,由于沒有精確的安裝技術(shù),在人為固定各超聲波傳感器的過程中,會(huì)存在較大的安裝誤差。經(jīng)過一系列的結(jié)構(gòu)調(diào)整和校準(zhǔn),無風(fēng)時(shí)水平面4路接收信號(hào)在示波器上顯示的波形如圖13所示,可以看出,最終只能達(dá)到接收陣元b2、b3所接收的信號(hào)保持同相的水平。同時(shí),在垂直面上只能保證接收陣元a2、a3所接收的信號(hào)保持同相。此時(shí),接收陣元b2、b3、a2、a3接收的信號(hào)如圖14所示。因此,在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過程中,只利用接收陣元b2、b3、a2、a3所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。

(a)陣元b1

(b)陣元b2

(c)陣元b3

(d)陣元b4圖13 無風(fēng)時(shí)水平面4路陣元接收信號(hào)的波形

(a)陣元b1

(b)陣元b2

(c)陣元a2

(d)陣元a3圖14 無風(fēng)時(shí)接收陣元b2、b3、a2、a3接收信號(hào)的波形

(a)陣元b1

(b)陣元b2

(c)陣元a2

(d)陣元a3圖15 有風(fēng)時(shí)接收陣元b2、b3、a2、a3接收信號(hào)的波形

有風(fēng)時(shí)接收陣元b2、b3、a2、a3接收的信號(hào)如圖15所示,可以看出,陣元b2、b3接收的信號(hào)和陣元a2、a3接收的信號(hào)之間出現(xiàn)明顯的相位差。利用Matlab軟件調(diào)用有風(fēng)時(shí)的采樣數(shù)據(jù).csv文件,便能計(jì)算出風(fēng)洞中的三維風(fēng)參數(shù)。測(cè)量環(huán)境的溫度為14.9 ℃,根據(jù)式(1)可得此時(shí)的超聲波聲速c=340.323 6 m/s,利用該修正后的超聲波聲速及采樣數(shù)據(jù),計(jì)算可得測(cè)量的風(fēng)洞中的三維風(fēng)參數(shù),結(jié)果如表2所示?？紤]到超聲測(cè)風(fēng)裝置的安裝誤差以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)測(cè)量中使用的接收陣元數(shù)量減半等因素的影響,超聲測(cè)風(fēng)裝置測(cè)量的三維風(fēng)參數(shù)相對(duì)于真值會(huì)不可避免地存在誤差。由于風(fēng)洞中風(fēng)場(chǎng)的不穩(wěn)定性和時(shí)變性,很難獲得某一時(shí)刻風(fēng)參數(shù)的真值,因此可通過借助市場(chǎng)上的測(cè)風(fēng)儀來測(cè)量風(fēng)洞中風(fēng)速的最大值,進(jìn)行本文方法可行性的驗(yàn)證。由于采用機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀(SMART SENSOR AS8556)測(cè)量的風(fēng)洞中最大風(fēng)速為6.443 m/s,所以當(dāng)本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量的風(fēng)速小于6.443 m/s且在其附近時(shí),便認(rèn)為是合理的。本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所測(cè)風(fēng)速為6.363 7 m/s,與機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀測(cè)量結(jié)果僅相差0.079 3 m/s,因此本文所提測(cè)風(fēng)方法是具有工程實(shí)現(xiàn)性的。風(fēng)向角和俯仰角會(huì)因測(cè)風(fēng)裝置所處的位置和風(fēng)洞中氣流的變化而變化,所以本節(jié)不討論。本節(jié)僅說明本文方法具有工程實(shí)現(xiàn)性,更精確的測(cè)量需要更專業(yè)的儀器在更高規(guī)格的實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)中進(jìn)行。

表2 本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量結(jié)果

通過以上分析可知,在允許一定結(jié)構(gòu)誤差和設(shè)備誤差的前提下,本文測(cè)風(fēng)方法具有工程實(shí)現(xiàn)性。同時(shí),如何克服結(jié)構(gòu)誤差和減小設(shè)備誤差也是后續(xù)工作中需要努力改進(jìn)的地方。

4 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計(jì)了一種新的超聲波傳感器陣列結(jié)構(gòu),并將波束形成算法應(yīng)用于三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量中。

(2)充分利用了超聲波傳感器陣列接收信號(hào)的冗余信息和波束形成算法的空域?yàn)V波、干擾抑制、期望信號(hào)增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在提高風(fēng)參數(shù)的測(cè)量精度方面具有一定的理論優(yōu)勢(shì)。

(3)通過Matlab軟件對(duì)本文提出的三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,在信噪比大于5 dB時(shí),三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量信息幾乎能達(dá)到100%的成功率,風(fēng)速的均方根誤差小于0.2 m/s,風(fēng)向角的均方根誤差小于1°。

(4)搭建了三維超聲測(cè)風(fēng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)風(fēng)洞中的風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量,結(jié)果表明,本文系統(tǒng)與市場(chǎng)上成型的機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀的風(fēng)速測(cè)量結(jié)果僅相差0.078 3 m/s,說明本文方法具有工程可行性。