基于声参量阵的风速测试系统关键技术研究

发布时间：2017-10-05 06:19

  本文关键词：基于声参量阵的风速测试系统关键技术研究

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【摘要】：风在当今科技飞速发展进步的时代,已不仅仅是一种自然现象,作为清洁的可再生能源,风能越来越受到全世界的重视。无论在科学研究中,还是在工业生产中,风速测量都有大量的应用,尤其在气象领域和风力发电领域,风速测量有着更为重要的应用价值。风速风向仪种类繁多,测量原理也不尽相同。目前较先进的是超声波风速测试技术,虽然克服了传统测量方法的缺点,但无法实现大空间范围内的风速测试,限制了风的应用范围。针对声参量阵可以产生独特的高指向性低频声波,并能将其传播到很远距离的特性,本文提出利用时差法测量原理建立声参量阵风速测试系统,开发出一种新的风速测试方法,实现远距离、大空间范围内的风速测试。首先,本文对声参量阵的工作原理进行了详细的阐述,对其在空气中的指向性进行MATLAB仿真分析,以此给出用声参量阵进行风速测试的理论依据和可行性;对声参量阵和超声波在空气中的传播情况进行比较分析,以此验证声参量阵测风速方法可实现大空间范围内的风速测试;对时差法的测量原理进行详细的讲解,以此得出影响风速测试精度的关键因素。其次,本文对几种互相关时延估计算法进行MATLAB仿真分析,通过对仿真结果的分析比较,选取测试精度最高的算法。为了获得较为理想的声参量阵信号进而提高风速测试系统的测量精度,对几种声参量阵预处理算法对风速测量精度的影响进行MATLAB仿真研究。然后,本文对整个系统的测风探头模块进行设计,其功能是发射和接收声参量阵信号,利用接收到的音频信号中携带的风速信息实现风速风向测量。测风探头由声参量阵发射阵列和音频信号接收阵列两部分集合而成,发射阵列由超声波换能器实现,接收阵列由传声器实现。最后,本文根据理论和仿真结果分析,分别对系统的硬件电路实现和软件实现进行了详细设计,利用DSP芯片BF533和STM32芯片完成整个基于声参量阵的风速测试系统的设计与实现。在DSP平台上实现声参量阵的调制算法和时延估计算法,计算风速风向,在STM32平台上实现测量数据的LCD显示。同时搭建相关的实验测试平台,对系统进行调试和改进。
【关键词】：声参量阵 风速风向测试 时差法 互相关时延估计算法 预处理算法
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH765.43
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 研究背景与研究现状11-14
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 国内外研究现状12-14
• 1.2 研究意义、目的及内容14-16
• 1.3 本文的内容安排16-17
• 第二章 声参量阵风速测试技术理论基础17-27
• 2.1 声参量阵理论17-22
• 2.1.1 声参量阵基本原理17-19
• 2.1.2 声参量阵指向性特性19-21
• 2.1.3 超声波在空气中的衰减特性21-22
• 2.2 时差法风速测量的基本原理22-26
• 2.2.1 时差法工作原理22-23
• 2.2.2 二维风速风向测量模型建立23-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第三章 声参量阵风速测量算法研究27-57
• 3.1 时延估计算法仿真分析27-38
• 3.1.1 时延估计算法27-28
• 3.1.2 广义互相关算法28-30
• 3.1.3 广义互相关算法仿真及结果分析30-38
• 3.2 声参量阵预处理算法仿真分析38-55
• 3.2.1 双边带（DSB_AM）算法38-44
• 3.2.2 平方根算法44-47
• 3.2.3 全载波单边带（SSB）算法47-51
• 3.2.4 预处理算法对时间差精度影响的仿真分析51-55
• 3.3 本章小结55-57
• 第四章 声参量阵发射接收阵设计57-67
• 4.1 声参量阵发射接收阵总体结构设计57-58
• 4.2 声参量阵发射阵设计58-61
• 4.2.1 超声换能器及其功能58-59
• 4.2.2 发射阵的设计59-61
• 4.3 声参量阵接收阵设计61-63
• 4.3.1 传声器及其功能61-62
• 4.3.2 接收阵的设计62-63
• 4.4 声参量阵收发阵测试63-66
• 4.5 本章小结66-67
• 第五章 基于声参量阵的风速测试系统的设计及测试67-89
• 5.1 系统的硬件设计67-78
• 5.1.1 硬件电路总体设计67-68
• 5.1.2 芯片选型68-70
• 5.1.2.1 DSP芯片68-69
• 5.1.2.2 STM32芯片69-70
• 5.1.3 硬件电路各模块设计70-78
• 5.1.3.1 信号放大及通道切换电路70-72
• 5.1.3.2 数字信号处理电路72-75
• 5.1.3.3 STM32控制电路75-77
• 5.1.3.4 电源电路77-78
• 5.2 系统的软件设计78-85
• 5.2.1 系统总体软件设计78-80
• 5.2.2 DSP模块软件设计80-84
• 5.2.2.1 超声波发射子程序82
• 5.2.2.2 音频信号接收子程序82-83
• 5.2.2.3 风速风向计算子程序83-84
• 5.2.3 STM32模块软件设计84
• 5.2.4 DSP与STM32的通信84-85
• 5.3 系统实验测试及误差分析85-88
• 5.3.1 实验测试85-87
• 5.3.2 误差分析87-88
• 5.4 本章小结88-89
• 第六章 总结与展望89-91
• 6.1 论文总结89-90
• 6.2 工作展望90-91
• 致谢91-92
• 参考文献92-94

【参考文献】

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1 李广峰,刘f ,高勇;时差法超声波流量计的研究[J];电测与仪表;2000年09期

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本文编号：975230