基于ESP32的海气界面风速风向测量系统研发

发布时间：2020-07-11 19:15

【摘要】：风速风向作为重要的海气界面观测要素,在海洋气象观测、资源勘探及国家海洋环境可持续发展战略中扮演重要角色。近年来超声波风速风向测量的应用越来越广泛,然而国产超声波测风仪在布局合理性、运行稳定性、测量精度等方面有待提高。为此,本文基于ESP32研发了一套整体结构较为合理、测量精度高、稳定可靠、开放功能强、体积小、环境适应性强的海气界面风速风向测量系统。本系统采用时间差法测风原理,在整体结构布局、硬件设计、软件设计、实验调试等方面做了以下工作:首先在整体结构布局上进行优化,将换能器通过V型内嵌式的方法进行安装,并计算换能器的延迟时间,降低了外界环境对系统测量精度的影响。其次在软硬件设计方面,本系统采用功能强大的ESP32作为主控芯片,通过移植开源的实时操作系统FreeRTOS,实现了对每个硬件模块的系统调用,提高了系统的时间响应和运行稳定性;采用数字一阶低通滤波算法对测量数据进行处理,进一步提高了风速风向实时值的测量精度;设计了WiFi驱动程序,实现了WiFi无线传输功能,运用c#编写了一套简洁的上位机界面,可对风速风向实时值进行数据—图像转换,实现了远距离实时动态显示。通过实验室调试、风洞标定以及户外对比等大量实验,验证了本文设计的风速风向测量系统具有运行良好、性能稳定、测量精度较高、环境适应性较强等特点,符合海洋环境下的设计及测量指标,具有一定的理论意义和应用价值。
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P714.2
【图文】：

拉尼娜,台风,相互作用,风速风向

大气［７］。另一方面，太阳辐射是海洋环流及大气流动的主要能源之一，大部分太阳逡逑辐射是通过海气界面传导给海洋的，海洋以热辐射借助海气界面传输到大气，转逡逑变为大气的动能［８］。如此相互作用，相互之间的能量转变就难以捉摸了［９］。图１－１逡逑展示了台风“拉尼娜”期间的海气界面相互作用。逡逑暖池ｊ坪方向」＾逡逑．NB－卜逡逑一圆逡逑图１－１台风“拉尼娜”期间的海气界面相互作用逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ａｉｒ－ｓｅａ邋ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ｄｕｒｉｎｇ邋Ｔｙｐｈｏｏｎ邋Ｌａ邋Ｎｉｎａ逡逑风不但与海气界面的能量转换密切相关，而且对于海气界面的物质转换同样逡逑产生重大影响［１°］。在伴随着能量转换的同时，物质交换（水循环和Ｃ０２循环）也逡逑在同步进行。远距离的水汽输送和ｃｏ２输送正是由于风的作用才得以实现。因此逡逑对于海气界面风速风向的研宄至关重要。逡逑１．１．２海气界面风速风向的观测途径逡逑由于风在海气界面相互作用中的重要影响，各国对于海气界面风速风向测量逡逑的研发也越来越关注。目前世界各国普遍采用的海气界面风速风向观测途径分为逡逑天基观测、陆基观测和海基观测［１１］。下面分别对各观测途径的优缺点进行分析：逡逑（１）

综合科,深空,同步卫星,海洋科学

Ｆｉｇ．邋１－２邋＂Ｘｉａｎｇｙａｎｇｈｏｎｇ邋Ｎｏ．邋１０＂邋ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｓｈｉｐ逡逑２０１８年８月，由中国国家海洋局承担的中国大洋第４９航次科考队圆满完成了逡逑科考任务，本次科考任务是搭乘“向阳红１０号”科考船开展的。如图１－２所示，逡逑作为中国自主研发的第一艘万吨级大型远洋综合科考船，“向阳红１０”船曾经参与逡逑我国首次运载火箭深空、同步卫星发射、首次南极科考等重要工作［１７］。船上搭载逡逑了数量众多的各类设备仪器，是国家海洋科学基础研宄和高新技术研发的海上移逡逑动实验室和试验平台。逡逑４逡逑

浮标,直径

２０１８年８月１８日，由中国国家海洋技术中心承担的“大洋航线志愿船观测”逡逑作业在南中国海北部海面进行，科学考察船完成抛弃式海气界面观测浮标的系统逡逑化试验。图１－３所示为１０米直径漂流式浮标验证漂流式浮标，其正在进行恶劣海逡逑况下的生存能力试验。通过准确估算南海信风以及海洋环流的影响，科考船在南逡逑中国海北部放置了邋１枚气象观测浮标，用来获取吕宋海峡附近的风向风速信息。逡逑在整个试验期间，观测浮标准确捕获到２组台风数据，为特定海域的海洋气象预逡逑报获取了珍贵的气象观测信息。通过我国抛弃式海气界面气象观测浮标和国外领逡逑先的锚系浮标作对，测量信息精确度之高，证明我国海气界面气象观测浮标具有逡逑较高的海洋气象信息收集能力［２°］。逡逑１．４本文的研究内容及章节组织安排逡逑围绕研宄目的及意义，本文设计了一套基于ＥＳＰ３２的海气界面风速风向测量逡逑系统。该风速风向测量系统运行良好、性能稳定，符合海洋环境下的设计及测量逡逑指标，具有一定的应用价值。本文前后内容由七章组成，各章组织规划如下：逡逑第一章：绪论。从海洋气象环境风速风向测量的研宄背景及目的意义出发

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