本文提出一種基于卡爾曼濾波的超聲波雪深測(cè)量的回波信號(hào)的建模方法,以便為不同降雪粒子的雪深測(cè)量、分類(lèi)或減小測(cè)量誤差帶來(lái)方便。該方法首先采集真實(shí)雪深的回波信號(hào),然后對(duì)解調(diào)后的信號(hào)用卡爾曼濾波方法擬合,其中利用了狀態(tài)方程遞推算法,擬合后的解調(diào)信號(hào)經(jīng)希爾伯特變換同頻率調(diào)制后獲得回波信號(hào),最后將原信號(hào)與數(shù)字?jǐn)M合信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析,證明該方法能夠合成積雪回波信號(hào),達(dá)到提高測(cè)量準(zhǔn)確性的目的。 

【文章來(lái)源】：電子器件. 2020,43(02)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

卡爾曼濾波算法流程圖

首先是發(fā)射波頻率的確定,因?yàn)槁暡ㄔ诮橘|(zhì)中傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減,其吸收衰減系數(shù)和散射衰減系數(shù)分別與頻率的平方和四次方成正比,大量實(shí)驗(yàn)表明,40 kHz的正弦波可以滿(mǎn)足在空氣中的測(cè)量分辨率和傳播距離的要求,在使用頻率為40 kHz的超聲波時(shí),發(fā)射10～12個(gè)超聲脈沖,在傳播測(cè)距方面有較好實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這就為超聲波測(cè)量雪深明確了方向[9]。本實(shí)驗(yàn)是利用STM32F407產(chǎn)生頻率為40 kHz的PWM(Pulse Width Modulation)波,再經(jīng)過(guò)乙類(lèi)推挽功率放大電路和濾波電路產(chǎn)生40 kHz的正弦波,超聲波在空氣中傳播,遇到積雪表面之后發(fā)生反射,超聲波傳感器接收回波信號(hào),超聲波發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)入處理電路,進(jìn)行信號(hào)的處理,其主要包括信號(hào)的放大和濾波,處理后的信號(hào)進(jìn)入AD采集電路,采集后的信號(hào)送入到微處理器中,結(jié)合測(cè)量區(qū)域的溫度值,利用溫度補(bǔ)償單元對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度進(jìn)行修正,利用雪深測(cè)量公式,根據(jù)超聲波測(cè)距原理,求得當(dāng)前測(cè)量區(qū)域的積雪深度,最后通過(guò)串行數(shù)據(jù)單元將雪深測(cè)量數(shù)據(jù)和溫度上傳至終端計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集框圖詳見(jiàn)圖2。將探頭固定在離地一段距離的位置,探頭垂直于測(cè)試點(diǎn)向下,考慮到探頭開(kāi)角的問(wèn)題要保證測(cè)試點(diǎn)附近1 m范圍內(nèi)地面平整。探頭發(fā)射的超聲波信號(hào)遇到積雪后會(huì)發(fā)生反射,由于反射強(qiáng)度的不同,回波信號(hào)的強(qiáng)弱不同,利用示波器能夠清楚地看到回波信號(hào)的強(qiáng)弱。換能器能夠利用逆壓電效應(yīng)將回波信號(hào)強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)然后傳送給STM32,STM32會(huì)以2 MHz的采樣率把連續(xù)的電信號(hào)量化,轉(zhuǎn)化為離散的時(shí)間序列。STM32負(fù)責(zé)采樣的引腳工作電壓范圍是0～3.3 V,外圍電路在把回波信號(hào)輸入到引腳之前會(huì)將電壓整體抬高以滿(mǎn)足STM32引腳的工作要求。

將探頭固定在離地一段距離的位置,探頭垂直于測(cè)試點(diǎn)向下,考慮到探頭開(kāi)角的問(wèn)題要保證測(cè)試點(diǎn)附近1 m范圍內(nèi)地面平整。探頭發(fā)射的超聲波信號(hào)遇到積雪后會(huì)發(fā)生反射,由于反射強(qiáng)度的不同,回波信號(hào)的強(qiáng)弱不同,利用示波器能夠清楚地看到回波信號(hào)的強(qiáng)弱。換能器能夠利用逆壓電效應(yīng)將回波信號(hào)強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)然后傳送給STM32,STM32會(huì)以2 MHz的采樣率把連續(xù)的電信號(hào)量化,轉(zhuǎn)化為離散的時(shí)間序列。STM32負(fù)責(zé)采樣的引腳工作電壓范圍是0～3.3 V,外圍電路在把回波信號(hào)輸入到引腳之前會(huì)將電壓整體抬高以滿(mǎn)足STM32引腳的工作要求。2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的仿真分析

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[9]人工雪深和自動(dòng)雪深觀測(cè)數(shù)據(jù)差異的原因分析[J]. 姚君,馬超.  黑龍江氣象. 2015(02)
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碩士論文
[1]無(wú)跡卡爾曼濾波算法的改進(jìn)及應(yīng)用研究[D]. 徐建.成都理工大學(xué) 2018
[2]超聲波非均勻介質(zhì)傳播衰減特性研究[D]. 張全興.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 2015



本文編號(hào)：3131712