【摘要】：風(fēng)速風(fēng)向作為重要的海氣界面觀測要素,在海洋氣象觀測、資源勘探及國家海洋環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中扮演重要角色。近年來超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量的應(yīng)用越來越廣泛,然而國產(chǎn)超聲波測風(fēng)儀在布局合理性、運(yùn)行穩(wěn)定性、測量精度等方面有待提高。為此,本文基于ESP32研發(fā)了一套整體結(jié)構(gòu)較為合理、測量精度高、穩(wěn)定可靠、開放功能強(qiáng)、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的海氣界面風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用時(shí)間差法測風(fēng)原理,在整體結(jié)構(gòu)布局、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)調(diào)試等方面做了以下工作:首先在整體結(jié)構(gòu)布局上進(jìn)行優(yōu)化,將換能器通過V型內(nèi)嵌式的方法進(jìn)行安裝,并計(jì)算換能器的延遲時(shí)間,降低了外界環(huán)境對系統(tǒng)測量精度的影響。其次在軟硬件設(shè)計(jì)方面,本系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的ESP32作為主控芯片,通過移植開源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS,實(shí)現(xiàn)了對每個(gè)硬件模塊的系統(tǒng)調(diào)用,提高了系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性;采用數(shù)字一階低通濾波算法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)一步提高了風(fēng)速風(fēng)向?qū)崟r(shí)值的測量精度;設(shè)計(jì)了WiFi驅(qū)動程序,實(shí)現(xiàn)了WiFi無線傳輸功能,運(yùn)用c#編寫了一套簡潔的上位機(jī)界面,可對風(fēng)速風(fēng)向?qū)崟r(shí)值進(jìn)行數(shù)據(jù)—圖像轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)動態(tài)顯示。通過實(shí)驗(yàn)室調(diào)試、風(fēng)洞標(biāo)定以及戶外對比等大量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)具有運(yùn)行良好、性能穩(wěn)定、測量精度較高、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn),符合海洋環(huán)境下的設(shè)計(jì)及測量指標(biāo),具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：天津工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P714.2
【圖文】：

大氣［７］。另一方面，太陽輻射是海洋環(huán)流及大氣流動的主要能源之一，大部分太陽逡逑輻射是通過海氣界面?zhèn)鲗?dǎo)給海洋的，海洋以熱輻射借助海氣界面?zhèn)鬏數(shù)酱髿猓D(zhuǎn)逡逑變?yōu)榇髿獾膭幽埽郏福�。如此相互作用，相互之間的能量轉(zhuǎn)變就難以捉摸了［９］。圖１－１逡逑展示了臺風(fēng)“拉尼娜”期間的海氣界面相互作用。逡逑暖池ｊ坪方向」＾逡逑．NB－卜逡逑一圓逡逑圖１－１臺風(fēng)“拉尼娜”期間的海氣界面相互作用逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ａｉｒ－ｓｅａ邋ｉｎｔｅｒｆａｃｅ邋ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ邋ｄｕｒｉｎｇ邋Ｔｙｐｈｏｏｎ邋Ｌａ邋Ｎｉｎａ逡逑風(fēng)不但與海氣界面的能量轉(zhuǎn)換密切相關(guān)，而且對于海氣界面的物質(zhì)轉(zhuǎn)換同樣逡逑產(chǎn)生重大影響［１°］。在伴隨著能量轉(zhuǎn)換的同時(shí)，物質(zhì)交換（水循環(huán)和Ｃ０２循環(huán)）也逡逑在同步進(jìn)行。遠(yuǎn)距離的水汽輸送和ｃｏ２輸送正是由于風(fēng)的作用才得以實(shí)現(xiàn)。因此逡逑對于海氣界面風(fēng)速風(fēng)向的研宄至關(guān)重要。逡逑１．１．２海氣界面風(fēng)速風(fēng)向的觀測途徑逡逑由于風(fēng)在海氣界面相互作用中的重要影響，各國對于海氣界面風(fēng)速風(fēng)向測量逡逑的研發(fā)也越來越關(guān)注。目前世界各國普遍采用的海氣界面風(fēng)速風(fēng)向觀測途徑分為逡逑天基觀測、陸基觀測和�；^測［１１］。下面分別對各觀測途徑的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析：逡逑（１）

Ｆｉｇ．邋１－２邋＂Ｘｉａｎｇｙａｎｇｈｏｎｇ邋Ｎｏ．邋１０＂邋ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｓｈｉｐ逡逑２０１８年８月，由中國國家海洋局承擔(dān)的中國大洋第４９航次科考隊(duì)圓滿完成了逡逑科考任務(wù)，本次科考任務(wù)是搭乘“向陽紅１０號”科考船開展的。如圖１－２所示，逡逑作為中國自主研發(fā)的第一艘萬噸級大型遠(yuǎn)洋綜合科考船，“向陽紅１０”船曾經(jīng)參與逡逑我國首次運(yùn)載火箭深空、同步衛(wèi)星發(fā)射、首次南極科考等重要工作［１７］。船上搭載逡逑了數(shù)量眾多的各類設(shè)備儀器，是國家海洋科學(xué)基礎(chǔ)研宄和高新技術(shù)研發(fā)的海上移逡逑動實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)平臺。逡逑４逡逑

２０１８年８月１８日，由中國國家海洋技術(shù)中心承擔(dān)的“大洋航線志愿船觀測”逡逑作業(yè)在南中國海北部海面進(jìn)行，科學(xué)考察船完成拋棄式海氣界面觀測浮標(biāo)的系統(tǒng)逡逑化試驗(yàn)。圖１－３所示為１０米直徑漂流式浮標(biāo)驗(yàn)證漂流式浮標(biāo)，其正在進(jìn)行惡劣海逡逑況下的生存能力試驗(yàn)。通過準(zhǔn)確估算南海信風(fēng)以及海洋環(huán)流的影響，科考船在南逡逑中國海北部放置了邋１枚氣象觀測浮標(biāo)，用來獲取呂宋海峽附近的風(fēng)向風(fēng)速信息。逡逑在整個(gè)試驗(yàn)期間，觀測浮標(biāo)準(zhǔn)確捕獲到２組臺風(fēng)數(shù)據(jù)，為特定海域的海洋氣象預(yù)逡逑報(bào)獲取了珍貴的氣象觀測信息。通過我國拋棄式海氣界面氣象觀測浮標(biāo)和國外領(lǐng)逡逑先的錨系浮標(biāo)作對，測量信息精確度之高，證明我國海氣界面氣象觀測浮標(biāo)具有逡逑較高的海洋氣象信息收集能力［２°］。逡逑１．４本文的研究內(nèi)容及章節(jié)組織安排逡逑圍繞研宄目的及意義，本文設(shè)計(jì)了一套基于ＥＳＰ３２的海氣界面風(fēng)速風(fēng)向測量逡逑系統(tǒng)。該風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)運(yùn)行良好、性能穩(wěn)定，符合海洋環(huán)境下的設(shè)計(jì)及測量逡逑指標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。本文前后內(nèi)容由七章組成，各章組織規(guī)劃如下：逡逑第一章：緒論。從海洋氣象環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向測量的研宄背景及目的意義出發(fā)

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本文編號：2750811