超声波雪深测量回波信号的卡尔曼滤波建模方法
发布时间：2021-04-11 18:07
本文提出一种基于卡尔曼滤波的超声波雪深测量的回波信号的建模方法,以便为不同降雪粒子的雪深测量、分类或减小测量误差带来方便。该方法首先采集真实雪深的回波信号,然后对解调后的信号用卡尔曼滤波方法拟合,其中利用了状态方程递推算法,拟合后的解调信号经希尔伯特变换同频率调制后获得回波信号,最后将原信号与数字拟合信号进行对比分析,证明该方法能够合成积雪回波信号,达到提高测量准确性的目的。
【文章来源】：电子器件. 2020,43(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
卡尔曼滤波算法流程图
首先是发射波频率的确定,因为声波在介质中传播过程中会发生衰减,其吸收衰减系数和散射衰减系数分别与频率的平方和四次方成正比,大量实验表明,40 kHz的正弦波可以满足在空气中的测量分辨率和传播距离的要求,在使用频率为40 kHz的超声波时,发射10～12个超声脉冲,在传播测距方面有较好实验结果,这就为超声波测量雪深明确了方向[9]。本实验是利用STM32F407产生频率为40 kHz的PWM(Pulse Width Modulation)波,再经过乙类推挽功率放大电路和滤波电路产生40 kHz的正弦波,超声波在空气中传播,遇到积雪表面之后发生反射,超声波传感器接收回波信号,超声波发射信号和接收信号进入处理电路,进行信号的处理,其主要包括信号的放大和滤波,处理后的信号进入AD采集电路,采集后的信号送入到微处理器中,结合测量区域的温度值,利用温度补偿单元对超声波在空气中的传播速度进行修正,利用雪深测量公式,根据超声波测距原理,求得当前测量区域的积雪深度,最后通过串行数据单元将雪深测量数据和温度上传至终端计算机。数据采集框图详见图2。将探头固定在离地一段距离的位置,探头垂直于测试点向下,考虑到探头开角的问题要保证测试点附近1 m范围内地面平整。探头发射的超声波信号遇到积雪后会发生反射,由于反射强度的不同,回波信号的强弱不同,利用示波器能够清楚地看到回波信号的强弱。换能器能够利用逆压电效应将回波信号强度的变化转换为电信号然后传送给STM32,STM32会以2 MHz的采样率把连续的电信号量化,转化为离散的时间序列。STM32负责采样的引脚工作电压范围是0～3.3 V,外围电路在把回波信号输入到引脚之前会将电压整体抬高以满足STM32引脚的工作要求。
将探头固定在离地一段距离的位置,探头垂直于测试点向下,考虑到探头开角的问题要保证测试点附近1 m范围内地面平整。探头发射的超声波信号遇到积雪后会发生反射,由于反射强度的不同,回波信号的强弱不同,利用示波器能够清楚地看到回波信号的强弱。换能器能够利用逆压电效应将回波信号强度的变化转换为电信号然后传送给STM32,STM32会以2 MHz的采样率把连续的电信号量化,转化为离散的时间序列。STM32负责采样的引脚工作电压范围是0～3.3 V,外围电路在把回波信号输入到引脚之前会将电压整体抬高以满足STM32引脚的工作要求。2.2 实验数据的仿真分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于卡尔曼滤波与粒子滤波的SLAM研究综述[J]. 孙海波,童紫原,唐守锋,童敏明,纪玉明. 软件导刊. 2018(12)
[2]基于红外光反射的雪深检测传感器研究与应用[J]. 申小强,邓霄,崔丽琴,张丽,郝彦升,秦建敏. 电子器件. 2018(04)
[3]SR-50A超声雪深仪在西藏高原的适用性研究[J]. 除多,边巴次仁,扎珠,德吉央宗. 高原气象. 2018(02)
[4]基于希尔伯特变换的铝/铝胶接结构缺陷尺寸的超声测量[J]. 胡玉平,高鸿波,吴伟,张士晶,涂俊,危荃. 无损检测. 2017(11)
[5]基于激光传感器的高铁雪深多点测量研究[J]. 阚成勇,高旭东,邢宗义,张永,石奋义. 机械制造与自动化. 2017(05)
[6]超声波测距自动增益控制电路的设计[J]. 汪群,许高斌,陈兴,马渊明,金传恩,欧耿洲. 电子器件. 2017(03)
[7]GPS-MR技术用于降雪厚度监测研究[J]. 张双成,戴凯阳,刘凯,侯晓伟,赵迎辉. 地球物理学进展. 2016(04)
[8]利用GPS的SNR观测值进行雪深监测研究[J]. 戴凯阳,张双成,李振宇,赵迎辉,南阳. 大地测量与地球动力学. 2016(06)
[9]人工雪深和自动雪深观测数据差异的原因分析[J]. 姚君,马超. 黑龙江气象. 2015(02)
[10]改进扩展卡尔曼滤波算法的目标跟踪算法[J]. 杨鹏生,吴晓军,张玉梅. 计算机工程与应用. 2016(05)
硕士论文
[1]无迹卡尔曼滤波算法的改进及应用研究[D]. 徐建.成都理工大学 2018
[2]超声波非均匀介质传播衰减特性研究[D]. 张全兴.沈阳工业大学 2015
本文编号：3131712
【文章来源】：电子器件. 2020,43(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
卡尔曼滤波算法流程图
首先是发射波频率的确定,因为声波在介质中传播过程中会发生衰减,其吸收衰减系数和散射衰减系数分别与频率的平方和四次方成正比,大量实验表明,40 kHz的正弦波可以满足在空气中的测量分辨率和传播距离的要求,在使用频率为40 kHz的超声波时,发射10～12个超声脉冲,在传播测距方面有较好实验结果,这就为超声波测量雪深明确了方向[9]。本实验是利用STM32F407产生频率为40 kHz的PWM(Pulse Width Modulation)波,再经过乙类推挽功率放大电路和滤波电路产生40 kHz的正弦波,超声波在空气中传播,遇到积雪表面之后发生反射,超声波传感器接收回波信号,超声波发射信号和接收信号进入处理电路,进行信号的处理,其主要包括信号的放大和滤波,处理后的信号进入AD采集电路,采集后的信号送入到微处理器中,结合测量区域的温度值,利用温度补偿单元对超声波在空气中的传播速度进行修正,利用雪深测量公式,根据超声波测距原理,求得当前测量区域的积雪深度,最后通过串行数据单元将雪深测量数据和温度上传至终端计算机。数据采集框图详见图2。将探头固定在离地一段距离的位置,探头垂直于测试点向下,考虑到探头开角的问题要保证测试点附近1 m范围内地面平整。探头发射的超声波信号遇到积雪后会发生反射,由于反射强度的不同,回波信号的强弱不同,利用示波器能够清楚地看到回波信号的强弱。换能器能够利用逆压电效应将回波信号强度的变化转换为电信号然后传送给STM32,STM32会以2 MHz的采样率把连续的电信号量化,转化为离散的时间序列。STM32负责采样的引脚工作电压范围是0～3.3 V,外围电路在把回波信号输入到引脚之前会将电压整体抬高以满足STM32引脚的工作要求。
将探头固定在离地一段距离的位置,探头垂直于测试点向下,考虑到探头开角的问题要保证测试点附近1 m范围内地面平整。探头发射的超声波信号遇到积雪后会发生反射,由于反射强度的不同,回波信号的强弱不同,利用示波器能够清楚地看到回波信号的强弱。换能器能够利用逆压电效应将回波信号强度的变化转换为电信号然后传送给STM32,STM32会以2 MHz的采样率把连续的电信号量化,转化为离散的时间序列。STM32负责采样的引脚工作电压范围是0～3.3 V,外围电路在把回波信号输入到引脚之前会将电压整体抬高以满足STM32引脚的工作要求。2.2 实验数据的仿真分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于卡尔曼滤波与粒子滤波的SLAM研究综述[J]. 孙海波,童紫原,唐守锋,童敏明,纪玉明. 软件导刊. 2018(12)
[2]基于红外光反射的雪深检测传感器研究与应用[J]. 申小强,邓霄,崔丽琴,张丽,郝彦升,秦建敏. 电子器件. 2018(04)
[3]SR-50A超声雪深仪在西藏高原的适用性研究[J]. 除多,边巴次仁,扎珠,德吉央宗. 高原气象. 2018(02)
[4]基于希尔伯特变换的铝/铝胶接结构缺陷尺寸的超声测量[J]. 胡玉平,高鸿波,吴伟,张士晶,涂俊,危荃. 无损检测. 2017(11)
[5]基于激光传感器的高铁雪深多点测量研究[J]. 阚成勇,高旭东,邢宗义,张永,石奋义. 机械制造与自动化. 2017(05)
[6]超声波测距自动增益控制电路的设计[J]. 汪群,许高斌,陈兴,马渊明,金传恩,欧耿洲. 电子器件. 2017(03)
[7]GPS-MR技术用于降雪厚度监测研究[J]. 张双成,戴凯阳,刘凯,侯晓伟,赵迎辉. 地球物理学进展. 2016(04)
[8]利用GPS的SNR观测值进行雪深监测研究[J]. 戴凯阳,张双成,李振宇,赵迎辉,南阳. 大地测量与地球动力学. 2016(06)
[9]人工雪深和自动雪深观测数据差异的原因分析[J]. 姚君,马超. 黑龙江气象. 2015(02)
[10]改进扩展卡尔曼滤波算法的目标跟踪算法[J]. 杨鹏生,吴晓军,张玉梅. 计算机工程与应用. 2016(05)
硕士论文
[1]无迹卡尔曼滤波算法的改进及应用研究[D]. 徐建.成都理工大学 2018
[2]超声波非均匀介质传播衰减特性研究[D]. 张全兴.沈阳工业大学 2015
本文编号：3131712
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