針對(duì)傳統(tǒng)時(shí)差法測(cè)風(fēng)精度受超聲波傳播時(shí)間測(cè)量精度直接影響的問題,提出了一種基于空間超聲波傳感器陣列及波束形成算法的三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量方法。使用一種新的一發(fā)多收的空間超聲波傳感器陣列結(jié)構(gòu),利用波束形成算法空域?yàn)V波,實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)期望信號(hào)、抑制干擾、提高測(cè)風(fēng)精度的效果,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在信噪比為5 dB時(shí),所提方法幾乎能達(dá)到100%的測(cè)量成功率,且信噪比越大,測(cè)量成功率越高,均方根誤差越小。搭建了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提測(cè)風(fēng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:在允許結(jié)構(gòu)誤差和設(shè)備誤差的前提下,所測(cè)風(fēng)洞中的風(fēng)速為6.363 7 m/s,與機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀所測(cè)結(jié)果6.443 m/s僅相差0.079 3 m/s,初步驗(yàn)證了所提方法的工程可行性。所提方法可為測(cè)風(fēng)方法的探索提供一種新思路。 

【文章來源】：西安交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2019,53(09)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

圖１三維超聲測(cè)風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)圖

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ｃ＝３３１．４１槡＋Ｔ／２７３（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３Ｖｂ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Ｖｂ１＝Ｖｂｃｏｓθ＋３２（）αＶｂ２＝Ｖｂｃｏｓθ＋１２（）αＶｂ３＝Ｖｂｃｏｓθ－１２（）αＶｂ４＝Ｖｂｃｏｓθ－３２（）烍烌?yàn)籀粒ǎ玻┯捎诎l(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［ωｔ＋φ（ｔ）］（３）式中

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３Ｖｂ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Ｖｂ１＝Ｖｂｃｏｓθ＋３２（）αＶｂ２＝Ｖｂｃｏｓθ＋１２（）αＶｂ３＝Ｖｂｃｏｓθ－１２（）αＶｂ４＝Ｖｂｃｏｓθ－３２（）烍烌?yàn)籀粒ǎ玻┯捎诎l(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［ωｔ＋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＝４０ｋＨｚ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ｘｂ（ｔ）＝ｘｂ１（ｔ）ｘｂ２（ｔ）ｘｂ３（ｔ）ｘｂ４（ｔ烄烆烌?yàn)簦剑螅ǎ簦澹軎卅樱保澹軎卅樱玻澹?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3422809