李靜海，曾 明，張小內(nèi)

(天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院 機(jī)器人與自主系統(tǒng)研究所，天津 300072)

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二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器風(fēng)向信號修正方法*

李靜海，曾 明，張小內(nèi)

(天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院 機(jī)器人與自主系統(tǒng)研究所，天津 300072)

針對二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器輸出的風(fēng)向信號普遍存在風(fēng)向角瞬變的問題，研究了產(chǎn)生風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象的原因，并提出了一種基于幅值—符號分解的風(fēng)向修正算法。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：風(fēng)向信號中的風(fēng)向角瞬變是由傳感器的量程限制造成的；基于幅值—符號分解的風(fēng)向修正算法能在不改變風(fēng)向角所表征的方位特征的前提下消除風(fēng)向角瞬變。

風(fēng)向信號； 二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器； 幅值—符號分解； 風(fēng)向修正

0 引 言

超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器由于其反應(yīng)速度快、測量精度高、維護(hù)使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域和科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器主要利用兩對垂直放置的超聲波換能器接收端和發(fā)送端之間的超聲波頻率差別來計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向[2]，傳感器輸出風(fēng)速(m/s)和風(fēng)向(°)時(shí)間序列。在分析由二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號時(shí)，風(fēng)向數(shù)據(jù)中普遍存在風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象，即在很短的時(shí)間內(nèi)風(fēng)向角出現(xiàn)極為劇烈且幅度很大的波動。風(fēng)向角瞬變時(shí)段的風(fēng)向信號波動特性與其他時(shí)段明顯不同，只有深入了解出現(xiàn)風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象的原因，才能判斷出這種現(xiàn)象是否會對后續(xù)風(fēng)向信號波動分析產(chǎn)生影響，如果有不利影響，還應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒▽︼L(fēng)向信號做合理的修正，然而目前尚未發(fā)現(xiàn)有文獻(xiàn)對該現(xiàn)象做過探究。

本文首先探討了二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器輸出的風(fēng)向信號中出現(xiàn)風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象的原因，然后提出了基于幅值—符號分解的消除風(fēng)向角瞬變的風(fēng)向修正算法，最后通過統(tǒng)計(jì)方法和風(fēng)玫瑰圖對實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果將為實(shí)測風(fēng)向數(shù)據(jù)的處理和分析提供新的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量

利用二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器(WindSonic)測量室外空曠場地內(nèi)的風(fēng)向數(shù)據(jù)，該傳感器的風(fēng)向量程為[-180°,180°]，分辨率為1°。在測量過程中，傳感器高度為0.3 m，采樣頻率為4 Hz。進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后，選取具有代表性的1 h的風(fēng)向時(shí)間序列WD，時(shí)間序列長度為14 400，如圖1(a)所示。取其中波動較為劇烈的時(shí)段(即第10 000個采樣點(diǎn)到第11 000個采樣點(diǎn)，如圖1(a)灰底標(biāo)識區(qū)段)，將其放大并繪制在圖1(b)中。

2 幅值—符號分解基本原理

幅值—符號分解是Ashkenazy Y等人[3]提出的一種主要用于波動特性分析的信號分解方法，能將一個復(fù)雜信號分解為幅值序列和符號序列，已在信號分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4～6]。該方法主要包括兩個步驟：

圖1 風(fēng)向時(shí)間序列Fig 1 Wind direction time sequence

1)給定一個時(shí)間序列{xi}(i=1,2,…,N)，求出它的增量序列{Δxi}，其中，Δxi=xi+1-xi(i=1,2,…,N-1)。

2)將增量序列分解為幅值序列和符號序列，對增量序列每個元素取絕對值就得到幅值序列{|Δxi|}，取增量序列每個元素的符號即得到符號序列{sgn(Δxi)}。

3 風(fēng)向信號中出現(xiàn)風(fēng)向角瞬變的原因

從圖1看出，風(fēng)向信號從第4 000個采樣點(diǎn)開始頻繁出現(xiàn)風(fēng)向角大幅波動。通過大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器的輸出風(fēng)向信號出現(xiàn)風(fēng)向角短時(shí)大幅波動的情況普遍存在。為了研究出現(xiàn)這種風(fēng)向角瞬變的原因，采用幅值—符號分解法。計(jì)算出圖1(a)中風(fēng)向時(shí)間序列的增量序列ΔWD、幅值序列|ΔWD|和符號序列sgn(WD)，分別如圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)所示。為了顯示清晰，符號序列僅畫出了前100個點(diǎn)。

圖2 風(fēng)向時(shí)間序列的幅值—符號分解Fig 2 Magnitude/sign decomposition of wind direction time sequence

從圖2可以看出，風(fēng)向增量序列和幅值序列在某些時(shí)段出現(xiàn)了尖峰值，尖峰值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了平均幅值。首先，設(shè)定波動閾值為180°，當(dāng)幅值|ΔWD|>180°時(shí)，認(rèn)為發(fā)生了風(fēng)向角瞬變。設(shè)定波動閾值為180°的原因在于在極坐標(biāo)系下，對于同樣的波動效果，存在(0°,180°)和(180°,360°)內(nèi)兩個等效的波動量，180°是極坐標(biāo)系下的中間角度，例如順時(shí)針波動30°與逆時(shí)針波動330°是等效的。然后，統(tǒng)計(jì)出在所有采樣時(shí)刻內(nèi)的風(fēng)向角增量和相應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)向角，如圖3所示。在圖3中，低于180°的風(fēng)向角增量用‘◇’表示，對應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)向角用 ‘★’表示；高于180°的風(fēng)向角增量用‘●’表示，對應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)向角用‘□’表示。

圖3 風(fēng)向角增量和相應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)向角統(tǒng)計(jì)Fig 3 Statistics of wind direction increment and corresponding wind direction angle

從圖3可以看出，大部分時(shí)刻的風(fēng)向角增量在180°以內(nèi)，風(fēng)向角增量超過180°(●)的時(shí)刻只占所有采樣時(shí)刻中的很小一部分(比例低于0.86 %)，發(fā)生大幅波動時(shí)刻的風(fēng)向角(□)均在量程極值附近。根據(jù)上述幅值—符號分析可以肯定，風(fēng)向信號中的風(fēng)向角瞬變這一現(xiàn)象與傳感器的量程極值有關(guān)。

二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器的風(fēng)向角量程為[-180°,180°]，在測量風(fēng)向信號時(shí)，當(dāng)風(fēng)向角增加到180°以后，如果再往上增加，由于量程的限制，傳感器輸出只能從負(fù)角度方向取值。例如:某一時(shí)刻風(fēng)向角為178°，相鄰的下一時(shí)刻應(yīng)該為185°，在極坐標(biāo)系下角度變化量僅為7°，但185°已超出了傳感器量程范圍，因此，傳感器只能輸出一個在極坐標(biāo)系下與185°等效的-175°，這樣的輸出結(jié)果使得角度變化量不再是7°，而是 -353°，因此，便出現(xiàn)了圖 1中風(fēng)向角在某些時(shí)刻變化幅度極大的情況。當(dāng)角度減小到-180°以下也是類似的。如果風(fēng)向角總是在極值附近，那么風(fēng)向角大幅波動將持續(xù)存在。由此可知，風(fēng)向角瞬變這一現(xiàn)象是由傳感器量程所造成的。

由傳感器量程限制而造成的風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象在一定程度上掩蓋了真實(shí)的角度變化量，這可能會對后續(xù)的風(fēng)向波動特性分析造成不利影響，因此，需要采用合適的方法來消除風(fēng)向信號中的風(fēng)向角瞬變。

4 消除風(fēng)向角瞬變的方法

當(dāng)風(fēng)向角在一個較小的范圍內(nèi)波動時(shí)，可以通過調(diào)整傳感器的安裝方向來避免風(fēng)向角的瞬變，即先估計(jì)測量區(qū)域的主風(fēng)方向，然后將傳感器量程中間值(即0°)調(diào)整到主風(fēng)方向上。此時(shí)絕大部分風(fēng)向角都圍繞主風(fēng)向附近波動，極少會靠近量程極值處，因而可以避免測得的風(fēng)向信號出現(xiàn)風(fēng)向角瞬變。然而對于波動特性更為復(fù)雜的風(fēng)場，風(fēng)向角遍布量程范圍內(nèi)的所有角度，利用調(diào)整傳感器的安裝方向的方法就無法避免和消除風(fēng)向角瞬變。

針對上述問題，本文提出了一種基于幅值—符號分解的風(fēng)向修正方法，即在不對傳感器進(jìn)行調(diào)整的情況下，通過對測得風(fēng)向信號進(jìn)行修正來消除風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象，并確保風(fēng)向角所表征的方位特征不變。該算法包括如下四個步驟：

1)利用幅值—符號分析法：將風(fēng)向信號{WDi}(i=1,2,…,N)分解為幅值序列{|ΔWDi|}和符號序列{sgn(WDi)}。

2)對幅值符號序列進(jìn)行修正：若在時(shí)刻i的幅值|ΔWDi|>180°，則將|ΔWDi|修正為|ΔWDi|corr=360°-|ΔWDi|，將該時(shí)刻的符號值sgn(WDi)修正為sgn(WDi)corr=-1×sgn(WDi)；若|ΔWDi|≤180°，則|ΔWDi|corr=|ΔWDi|，sgn(WDi)corr=sgn(WDi)。

3)基于修正后的幅值序列{|ΔWDi|corr}和符號序列{sgn(WDi)corr}構(gòu)造增量序列{ΔWDi}corr，即ΔWDi|corr=sgn(WDi)|corr×(|ΔWDi|)|corr。

該方法易于在數(shù)據(jù)處理中實(shí)現(xiàn)并且無需對傳感器進(jìn)行調(diào)整，修正前與修正后的風(fēng)向角在極坐標(biāo)系下是等效的。由于在(2)步中限制了風(fēng)向波動幅值，因而能消除風(fēng)向角的大幅波動；由于取消了角度范圍的限制，所以,修正后的風(fēng)向角可能會超出區(qū)間[-180°,180°] 。

5 實(shí)驗(yàn)測試

采用第4節(jié)的方法用對圖1(b)所示的第10 000～11 000個采樣點(diǎn)的風(fēng)向時(shí)間序列進(jìn)行修正。修正前后的風(fēng)向時(shí)間序列如圖4所示。統(tǒng)計(jì)出修正前和修正后在的風(fēng)向角增量和相應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)向角，如圖5(a)和圖5(b)所示，其中低于180°的風(fēng)向角增量用‘◇’表示，對應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)向角用‘★’表示；高于180°的風(fēng)向角增量用‘●’表示，對應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)向角用‘□’表示。結(jié)合對應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)速值，作出修正前后的風(fēng)玫瑰圖，分別如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖4 修正前和修正后的風(fēng)向時(shí)間序列Fig 4 Wind direction time sequence before and after correction

圖5 風(fēng)向角增量和相應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)向角統(tǒng)計(jì)Fig 5 Wind direction angle increment and statistics of corresponding moment wind direction angle

圖6 風(fēng)玫瑰圖Fig 6 Wind rose

從圖4可以看出，通過修正，明顯能將風(fēng)向信號中的大幅波動去除；從圖5可以看出，修正后已沒有超過180°的波動(●)，但有一部分風(fēng)向角(★)超出區(qū)間[-180°,180°]；從圖6可以看出，修正過程并不改變風(fēng)玫瑰圖。由此可知，本文提出的風(fēng)向修正算法能在不影響風(fēng)向信號所表征的方位特征的前提下，消除風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象，從而避免風(fēng)向角瞬變對后續(xù)風(fēng)向波動特性的分析造成不利影響，但修正后的風(fēng)向角可能會超出傳感器的量程限制范圍。

6 結(jié) 論

本文探究了由二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器測得的風(fēng)向信號發(fā)生風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象的原因，證實(shí)了該現(xiàn)象是由傳感器本身的量程限制造成的，并且會掩蓋真實(shí)的角度變化量。為了避免風(fēng)向角瞬變對后續(xù)風(fēng)向信號波動特性分析造成不利影響，提出了基于幅值—符號分解的風(fēng)向修正方法，該方法能在不改變風(fēng)向角所表征的方位特征的前提下很好地消除傳感器輸出風(fēng)向信號中存在的風(fēng)向角瞬變現(xiàn)象。

[1] 張東明，曹曉鐘，馬尚昌.二維超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(10):110-113.

[2] 閆 茹，蔣翠麗.淺談風(fēng)速風(fēng)向傳感器[J].內(nèi)蒙古石油化工,2011(21):42.

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[5] Telesca L,Lapenna V.Magnitude and sign scaling in power-law correlated geoelectrical time series measured in southern ita-ly[J].Natural Hazards and Earth System Sciences,2004,4(5-6):669-677.

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Correction method for wind direction signal measured by 2D ultrasonic anemometer*

LI Jing-hai,ZENG Ming,ZHANG Xiao-nei

(School of Electrical Engineering and Automation,Institute of Robotics and Autonomous Systems, Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Aiming at problem that wind angle transient is common in wind signal for 2D ultrasonic anemometer,causes of this problem is studied,and a correction algorithm based on magnitude/sign decomposition is proposed.Theoretical analysis and experimental results show that the wind angle transient is arised by range limits of sensor,and the correction algorithm based on magnitude/sign decomposition can eliminate this problem without changing orientative feature represented by wind angle.

wind direction signal;2D ultrasonic anemometer;magnitude-sign decomposition;wind direction correction

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0012—03

2016—01—08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271321,61573253,61401303)

TP 212.9

A

1000—9787(2016)11—0012—03

李靜海(1987-)，男，白族，云南大理人，碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)雜動態(tài)氣流環(huán)境下機(jī)器人氣體泄漏源定位和超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器。