[发明专利]基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置，其特征在于：包括太阳能电池板、太阳能电池板调节电机、温度补偿模块安装块、导轨上固定块、可调限位块、超声波探头、辅助限位柱、超声波探头安装支架、联轴器、旋转底盘、温度补偿模块、导向柱、丝杠、移动块、丝杠电机、安装底座、测雪板、导向套筒、平面轴承和旋转电机，其中安装底座与旋转底盘之间采用平面轴承连接，旋转电机下方与安装底座固定连接、上方电机轴与旋转底盘连接，丝杠电机固定连接在旋转底盘内，丝杠与丝杠电机采用联轴器连接，导向柱下端与旋转底盘固定连接、上端与导轨上固定块固定连接，移动块与丝杠螺纹连接、并且通过导向套筒与导向柱滑动连接，超声波探头安装支架与移动块转动连接，超声波探头与超声波探头安装支架前端固定连接，可调限位块安装在导向柱上，辅助限位柱与可调限位块转动连接，移动块向上或向下移动，移动块带动超声波探头安装支架及超声波探头移动，超声波探头安装支架绕辅助限位柱旋转，移动块移动到上限位时，超声波探头安装支架整体变为与地面水平，从而便于进行下一步测量，测雪板套接在安装底座的外部，太阳能电池板调节电机、温度补偿模块分别安装在温度补偿模块安装块上，该温度补偿模块安装块通过螺栓连接在导轨上固定块上，太阳能电池板调节电机通过电机轴与太阳能电池板转动连接。

2.采用如权利要求1所述的一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：

步骤一、将基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置上电后，对各模块进行初始化；

步骤二、温度补偿模块读取当前测量区域的温度，结合超声波在空气中的传播速度与空气的关系，修正超声波在空气中的传播速度；

步骤三、超声波探头发射超声波，超声波在空气中传播，接收遇到积雪表面反射回来回波信号，采用声波回波信号模型与归一化互相关时延估计算法相结合对时间延迟T进行计算，实现对接收信号数字量进行时延估计；

步骤四、对雪深测量数据h进行计算

h＝D-H＝D-VT

式中，D为测量装置到雪尺零点的距离，单位为m；H为测量装置到积雪表面的距离，单位为m；V为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s，将计算结果传递给微处理器模块并保存；

步骤五、电机控制雪深测量装置顺时针依次旋转90度、180度、270度，并重复步骤二、步骤三、步骤四，一共得到四组不同位置的雪深测量数据，对四组数据求取平均值，获得测量区域的雪深测量结果，将最终测量结果传递给微处理器模块并保存，结束测量。

3.根据权利要求2所述的一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤二中，超声波在空气中的传播速度v与温度的关系表达式如下所示：

V＝331.4(Ta/273.15)

Ta＝273.15+t₀

式中，Ta表示华氏温度，t₀表示摄氏温度。

4.根据权利要求2所述的一种基于归一化互相关时延测量的超声波雪深测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤三中，具体方法如下：

(1)超声波回波信号的模型

超声波回波信号的高斯模型可表示为：

θ＝[α τ f_c φ β]

式中：α表示带宽因子，τ表示延迟时间，f_c表示中心频率，φ表示相位，β表示幅度系数，θ表示[α τ f_c φ β]的参数合集，t表示信号时间，S(θ,t)表示超声波回波信号高斯模型的幅度；

根据超声波回波信号的高斯模型，超声波传感器发射信号x(t)、接收信号y(t)可以表示为：

x(t)＝s(t)

y(t)＝s(t-T)+m(t)+n(t)

其中：

m(t)＝A*cos(2πf_mt)

式中：s(t)为驱动信号，m(t)为与驱动信号频率不同的周期性干扰，是气象仪器测试站中其他测量仪器对超声波雪深测量系统产生的干扰，A和f_m分别是周期性干扰信号的幅值和频率，n(t)为符合Alpha稳定分布的噪声，T为待测时间延迟；

(2)基于归一化互相关的声波信号时延估计方法

根据归一化互相关函数定义，超声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的归一化互相关函数r_yx(τ)表达式可写为：

式中E[·]代表求取期望，由于x(t)、m(t)、n(t)三者相互独立，则上式可表示为：

经化简，超声波发射信号x(t)和接收信号y(t)的归一化互相关函数r_yx(τ)样本估计可表示为：

由于信号具有平稳遍历性，当N足够大时，下式存在：

则归一化互相关样本估计可表示为：

根据归一化函数定义和相关函数的性质可知：

因此在τ＝T时取得最大值；

由上式可知，对归一化相关函数进行峰值搜索，获得最大值点所在的位置，得到本次测量的时间延迟T值。