西继东, 朱阁彦, 李新波, 石要武

(吉林大学 通信工程学院, 长春 130022)

0 引 言

风能作为一种重要的自然资源被广泛应用于风能发电、 风力助航和气象测量等领域。因此风速和风向的准确测量一直是国内外学者研究的热点[1,2]。目前已经开发了多种类型的测风仪器, 其中常用的仪器是机械风速仪, 但由于其具有旋转部件, 存在机械磨损、 寿命短、 维修费用高、 精度低等缺点, 影响其应用[3]。超声波测风技术中使用最广泛的方法是时间差分理论[4],它利用顺风和逆风之间的传播时间差测量风速。这种方法结构简单, 但没有考虑噪声对风速传播的影响。

阵列信号处理方法可有效抑制复杂环境中存在的噪声[5,6]。目前很少有人将信号处理方法与风速测量相结合。Han等[7]提出了一种利用超声波传感器阵列的风速和风向测量方法, 采用传感器位于上层发射超声波信号, 其他4个传感器位于下层接收超声波信号的阵列结构, 并采用时差法作为测风算法。然而其测量精度完全取决于超声波传输时间差的测量, 特别是在强电磁干扰或低信噪比的情况下, 超声波传输的时间测量将变得困难甚至失效。Li等[8]提出了一种基于超声波传感器阵列的MUSIC(Multiple Signal Classification)风速风向的测量方法。笔者提出了一种基于弧形的超声波传感器阵列, 并且对弧形阵列结合MUSIC算法估计风速风向的方法展开了相关问题的分析和讨论。其采用的MUSIC算法是一种高分辨估计算法[9,10], 但需对阵列接收数据的协方差进行奇异值分解, 增加了算法的复杂性。……