基于循环平稳特性的风速风向测量方法

作     者：赵欣烨 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李新波

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：超声波风速风向测量 循环平稳特性 遗传算法 循环MUSIC算法 阵列信号处理 

摘      要：风是大气中空气流动的现象,对人类活动有着重要的影响。风参数的精确测量在气象研究、航空航海、工业农业、新能源等领域都发挥着重要的作用。近年来提出的基于阵列信号处理的风参数测量方法能够利用空域信息估计风参数,与时差法和相位差法相比,能够提高测量精度、降低测量的不确定度。但是这些方法仍旧存在低信噪比下测量精度低、抗噪性差的问题。为解决这些问题,本文结合信号的循环平稳特性,通过抑制非目标信号和噪声,增强对循环平稳信号的检测,实现风参数在低信噪比下的准确测量。本文主要工作内容如下: 1.针对低信噪比下测量精度低、抗噪性差的问题,提出基于循环平稳特性的风速风向测量方法。选取循环平稳信号作为超声波阵列测风的输入信号,采用循环MUSIC算法处理输入信号,有效抑制不同频率的干扰和高斯噪声;在此基础上采用扩展循环MUSIC算法,获取更精确的风参数信息。仿真实验验证了该方法的可行性,并与多重信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)算法和传播算子(Propagator Method,PM)算法进行对比实验,验证所提风参数估计方法的优势; 2.将风参数估计问题中的谱峰搜索转化为函数寻优问题以提高基于循环平稳特性的阵列测风方法的测量实时性;推导了基于基本遗传算法(Simple Genetic Algorithm,SGA)和量子遗传算法(Quantum Genetic Algorithm,QGA)的风速风向测量方法;仿真实验验证了SGA和QGA的可行性,对比分析证明所提方法可以在测量精度损失较少的情况下减少算法计算量,提高了测风系统的实时性; 3.设计信号生成模块,驱动超声波阵元发射幅度调制(Amplitude Modulation,AM)信号,验证超声波测风中发射循环平稳信号的可行性,进一步搭建超声波测风样机,并进行风洞实验,验证本文提出的风参数测量方法的工程可行性。 综上所述,本文提出基于循环平稳特性的风速风向测量方法、基于遗传算法的风速风向测量方法,从输入信号波形特征入手,提高低信噪比下测量精度、降低计算复杂度。仿真结果表明在信噪比为2 d B时,风参数估计成功率可达100%,计算复杂度降低35%以上,证明本文所提出的方法的有效性。