超声波测风系统的研制

发布时间：2016-11-28 07:38

第 1 章   绪论 

1.1  课题研究背景及意义
在各类气象要素中，风是最活跃的要素之一。风速的测量被广泛应用于军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面[1~6]。在战争中，  由于风的作用，发射出去的火炮的弹道会发生改变，从而导致射击精度的降低[5]；一些体育运动中也常常需要测量风速、风向，如田径、帆船、划艇和野外射击等比赛[6]；风速和风向还会严重影响海洋航行中船只的安全，因此海洋航行中风速的测量也是至关重要的；飞机在机场起飞或降落时，必须根据近地面的风速和风向来调整起飞或着陆的方式[5]；在飞机或无人机的飞行过程中，风速和风向是关系到飞机驾驶和飞行安全的一个重要参数；在气象部门，地面和空中的风速、风向更是气象分析的一个重要参数；各类风扇制造业、风力发电、风力涡轮机等也离不开风速、风向的测量。因此，快速、可靠、宽范围、高精度的风速、风向测量仪具有极大的市场需求。 目前，常用的风速测量技术有机械式测量、皮托管测量、热线热膜测量、激光多普勒测量、超声波测量等[3~9]。其中热线热膜测量精度较高，但只适合测量比较低的风速段；激光多普勒测风方法具有测量精度高和测量范围广的优点，但仪器结构复杂，不适宜在野外恶劣的环境中工作；机械式的测量方法因为存在转动部件、启动风速高、同时转动产生的惯性还会引起迟滞效应等问题，主要应用于精度要求不高且风速较低、风速变化范围不大的测量环境中；皮托管式测量方法在被测风速小于 10m/s 时精度很低，并且不适合用于含杂质气体的风速测量，因此存在较大的使用局限性。超声波测量方法以其独有的测量范围宽、测量精度高、测量速度快、启动风速低、结构简单、抗振动、适用于野外恶劣环境下工作等其他测量方法无可比拟的优点，而倍受人们青睐，成为目前风速仪的主流发展方向。 目前，国外已生产出多种基于超声波原理的高精度测风仪器仪表，相比之下，我国在超声波风速、风向测量的研究方面，由于起步较晚，还没能研究出稳点可靠的产品，缺少国内产品的竞争使得国外产品往往卖价高昂，不利于超声波测风仪在国内的推广和应用[7]。鉴于此，国内迫切需要加强对拥有自主知识产权的超声波测风仪的研发，提高国内企业的竞争力，同时降低风速的测量成本。 根据长春气象仪器研究所针对超声波风速仪所作的市场研究报告，仅国内对该仪器的年需求量就在 5000 台以上，如果考虑到国际市场，其需求量更大。因此，该仪器的研发具有重大的科研价值和广阔的市场应用前景。 
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1.2  超声波测风的国内外发展现状
在国外，超声波测量己经发展了一百多年[10]，随着时代的发展，超声测风技术经历了几代研究人员的改进与创新，逐步达到测量精度高，稳定性好等先进水平，表 1.1概述了国外的研究概况。国外公司以及科研机构对超声波测量的研究工作比较早，现已生产出成熟可靠的产品，并已投入各行各业的应用中。但价格较高，一般性能的产品价格都在万元以上，如英国 GILL 公司的 Wind Master Pro [17]、荷兰  Vaisala  公司的 Vaisala WMT25 [18]  、美国R.M.YOUNG 公司的 Model 85000 [19]、意大利的 Delta OHM 风速风向仪[20]等。这些产品的风速测量范围可以达到 0~60m/s，误差仅为 0.2m/s，角度测量范围为 0~360°，角度误差仅为 3°，在销售市场也占有了大部分的销售份额。相关产品已经应用到气象监测站、浮标、环境监测、航海、机场、钻井平台等领域，其可靠性和精度也得到了广泛的印证，取得了较好的效果。由于研究起步晚、技术不成熟、研发成本高等原因，国内厂家在超声波测风方面多处于仿制研发阶段，与国外还有较大差距。目前国内仅有少数厂商能生产出成型的超声波测风产品，如船舶系统工程部的固态气象仪[21]、成都成电光信科技股份有限公司生产的 CD-UA09G 超声波测风仪[22]、深圳智翔宇仪器设备有限公司的 CFF-2、CFF-3型超声波风速风向仪[23]，上海华岩仪器设备有限公司生产的 2D 超声波测风仪[24]等，虽然标称指标基本达到了国外超声波测风产品的水平，但用户反应普遍存在性能指标不稳定的缺点，与国外同类产品相比，有明显的差距。
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第 2 章   模拟式改进型时差法超声测风系统研究 

本章对目前国内外普遍采用的模拟式改进型时差法超声测风系统进行了研究，对其软硬件进行了设计、制作和调试，并且编制了上位机监控软件。分别制作了对射式和反射式超声测风系统的样机，调试通过后在长春气象仪器研究所的国家气象仪器质量监督检验中心用 EDE1-5 型大型低速风洞进行了测试，并对测试结果进行了分析，最后对模拟式改进型时差法超声测风系统失败的原因进行了分析。

2.1  超声测风系统的硬件设计
本章所提模拟式改进型时差法超声波测风系统采用相互正交的两对收发一体式超声传感器结构（其结构如图 1.1 所示）。图 2.1 为改进型时差法超声测风系统的功能框图，系统上电后，由微处理器发出驱动信号，经驱动电路将该信号放大和整形后用于驱动超声波传感器发出超声波，与其相对的超声波传感器在接收到超声波信号后，将声波信号转换为电信号，经接收电路和模拟开关后进入处理电路，处理电路包括放大电路、带通滤波电路、信号截取电路、包络提取电路、低通滤波电路和滞回比较电路。滞回比较电路的输出信号包含了超声波在空气中的延迟时间信息，通过微处理器的时间捕获功能就可以把这个时间测量出来，再用 1.3.1 节的改进型时差法就可以计算出风速和风向角。 
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2.2  时差法超声测风系统的软件设计

在嵌入式系统中，软件是与硬件相互依存的，，本节对时差法超声测风系统的软件进行了设计，其总体流程图如图 2.2 所示。系统上电后，处理器对各模块进行初始化；然后每 20m S 依次驱动传感器 1、2、3、4 发出超声波，同时依次控制模拟开关选通其正对方向的传感器 3、4、1、2 作为接收探头后，再打开处理器的时钟捕获功能，将超声波的传播时间记录下来，四个方向的传播时间均记录下来后，记数值加 1，重复上述步骤，直到记数值为 10，这样 800m S内每个方向的时间均记录了 10 次；然后分别对 4 组时延数据进行排序，去掉最大值和最小值后求平均值，再带入式（1.5）和式（1.6）中计算两个正交方向的风速，再用式（1.7）和式（1.8）算出合成风速和风向角；最后通过串口输出四个方向的时间、风速、风向角和 CRC 校验值；重复上述步骤，保证每秒输出一组数据。 

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第 3 章   基于二阶矩的时延估计算法的退化 ........... 23 
3.1 alpha 稳定分布噪声 ..... 23 
3.2  超声测风系统对时延估计精度的要求 ......... 25 
3.3  超声回波信号的数学模型 ............ 25
3.4  二阶统计量类时延估计算法的退化..... 27
3.5  实测超声回波信号时延估计 ........ 29 
3.6  本章小结 .... 32 
第 4 章   alpha 噪声下超声回波信号时延估计算法的研究 ...... 33 
4.1  基于循环共变的超声回波信号时延估计算法....... 33 
4.2  基于归一化循环相关的超声回波信号时延估计算法 ............ 40
4.3  实测超声回波信号时延估计 ........ 45 
4.4  归一化循环相关法的快速实现 .... 46
4.5  本章小结 .... 50 
第 5 章   数字式超声波测风系统样机测试与分析 ............ 53 
5.1  超声波测风系统的搭建 ....... 53 
5.2  无风环境时延估计测试 ....... 56 
5.3  自制小风洞测试与结果分析 ........ 58 
5.4   EDE1-5 型低速风洞测试与结果分析 ......... 59 
5.5  本章小结 .... 62 

第 5 章   数字式超声波测风系统样机测试与分析

为了进一步印证数字式超声测风系统的优越性，以及归一化循环相关法及其快速实现方法在超声测风系统中的抗干扰、抗噪声性能和实时性的优势，本章设计并搭建了数字式超声测风系统的样机，采用归一化循环相关法对采集到的超声回波信号进行时延估计，采用改进型时差法计算风速和风向角。在样机调试通过后分别在无风环境、自制小风洞和 EDE1-5 型低速风洞中进行了测试并对实验结果进行了分析。

5.1  超声波测风系统的搭建
本章搭建的超声测风系统的外壳、机械结构和超声波传感器均与第二章中的反射式超声测风系统相同，只是对局部电路进行了改进或重新设计。如图 5.1 所示为数字式超声测风系统的硬件总体功能框图。四个相互正交的超声波传感器分别连接一个收发模块（其电路由驱动电路和接收电路组成，与第 2 章中的驱动电路和接收电路相同），收发模块的控制信号由微处理器给出；收发模块的输出信号进入模拟开关模块（其电路与第 2 章中的模拟开关相同），模拟开关的选通信号也由微处理器控制；模拟开关模块的输出信号进入滤波放大模块（其电路由第 2 章中的一级放大电路、带通滤波电路和二级放大电路组成）；微处理器驱动 AD 采样模块对滤波放大模块的输出信号进行采集，并将结果读回用于计算延迟时间，进而再用 1.3.1 节的改进型时差法计算出实时风速和风向角。本系统与第 2 章的改进型时差法超声波测风系统相比省去了信号截取电路、信号截取放大滤波电路、低通滤波电路和滞回比较电路，增加了 AD 采样电路，增强了微处理器性能，总体电路更加简洁。本章仅对微处理器模块和 AD 采样模块的电路进行介绍，其它电路与第 2 章相同或过于简单，将不再赘述。 
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总结 

众所周知，在各类气象要素中,风是最活跃的要素之一。风速的测量在军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面具有重要的用途，而目前常用的风速仪已不能满足日益增长的测量要求。风速计的主流发展方向已经转向了具有结构简单、抗振动、测量速度快、精度高、测量范围宽、适用于野外恶劣环境下工作等其他测量方法无可比拟的优点的超声波测风仪。国外对超声波测量的研究与应用己经发展了一百多年，很快就研制出了测量精度高、稳定性好的超声波测风仪器，而国内由于研究较晚，加上国外的技术封锁，仅有个别厂商生产出成型产品，但与国外同类产品相比还存在较大差距，因此国外普通产品卖到国内的价格都在万元以上。鉴于此，国内迫切需要加强对拥有自主知识产权的同类产品的研发，提高竞争力，降低本国企事业单位的测量成本。基于以上原因，同时受长春气象仪器研究所委托，本文针对超声波测风的关键技术展开研究，并将相关技术应用到实际的超声波测风系统中。总之，本论文的主要研究内容和结论有：针对目前国内广泛应用的模拟式改进型时差法超声测风系统，研究了它的结构，设计并制作了具体实施电路，调试通过后，针对现在流行的两种超声波测风仪结构：对射式和反射式，分别搭建了样机，并进行了风洞测试，分析了这种类型测风仪测量范围有限、精度不高的原因；结果表明模拟式改进型时差法超声测风系统由于硬件电路的限制，不能有效的抑制噪声和干扰，因此造成在高风速时不能准确测量出时延，从而严重影响测量结果，优化模拟电路的设计和制作可在一定程度上提高测量效果，但以目前长春气象仪器研究所（或者说国内气象仪器生产单位）的技术水平，很难在模拟电路的设计和制作上有所突破以提高超声测风仪的量程和精度，这也为后续章节转向数字式超声测风仪的研究提供依据。 
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参考文献(略)

本文编号：196223