【摘要】：降雪是氣象探測中較難測量的要素之一。準確的積雪數據可以幫助有關部門掌握積雪分布資料反映當地的寒冷程度,為水資源調配提供依據,也可以為交通部門、電力通信和工農業(yè)生產等領域的防災減災提供保障。由于積雪結構的特殊性、表面的不平整以及測量環(huán)境包括飄雪、低吹雪、風等因素的干擾,雪深的測量存在很大誤差。我國氣象部門對降雪量的監(jiān)測仍然以人工為主,存在勞動成本大、準確度不高和時效性差等問題。超聲檢測技術以低成本、高靈敏度等優(yōu)勢在生物醫(yī)學、航空航天、工業(yè)無損檢測等領域得到了普遍應用。本文將數學建模的思想引入到雪深探測中,根據回波信號模型對雪深超聲信號的TOF(Time-of-Flight)估計進行研究分析,提高測量精度。根據課題需要設計了基于超聲幅值檢測法的積雪回波數據采集裝置。主要研究內容體現在以下幾個方面:(1)根據聲速、聲衰減等聲學參量的定義,分析理解了超聲波在空氣中相關聲學參量的性質。結合積雪結構特征,研究了超聲波在積雪中的傳播規(guī)律。(2)在分析研究積雪結構的特性基礎之上,根據超聲回波信號的特點,把數學建模的思想引入到雪深探測中。通過基于希爾伯特變換的方法對回波信號包絡進行特征提取。在比較幾種超聲回波信號模型的優(yōu)劣之后,提出一種針對信號包絡的正余弦模型建模方法,并利用頻域分析法和MVSSLMS自適應濾波算法調整模型參數。通過實驗表明,該模型對信號包絡有較好的擬合優(yōu)度,并且信息細節(jié)保留得較為完整。(3)結合超聲雪深測量原理,對影響雪深測量的因素進行研究。分析雪深測量的關鍵在于TOF估計的準確程度,提出一種基于EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)算法的TOF估計方法,與互相關法相比提高測量精度,其原理是把信號包絡分解成細節(jié)和主干信息,使用一階差分方法求解信號梯度變化最大的點�？紤]到在實際環(huán)境中,積雪結構會發(fā)生變化且伴隨降雪現象,實驗設計利用該方法對超聲TOF進行估計,研究不同距離、不同結構反射面和不同密度飄落對TOF估計的影響。(4)按照課題對信號波形的需要設計了超聲回波信號采集裝置。編寫了以STM32為核心的超聲波收發(fā)控制程序,控制整個系統的工作。發(fā)射電路采用推挽電路的設計思想用來產生單頻率正弦波。根據定K型濾波器的思想設計了三階巴特沃斯低通濾波器,并通過低通和高通濾波器串聯的方式設計有源帶通濾波器。利用溫度補償電路修正聲速,提高測量精確度。
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P426.63
【圖文】：

及意義娜現象和厄爾尼諾現象的綜合影響，大氣]。冰雪災害作為氣象災害中難以估計的一。2018 年初,“殺手”寒流給北美大部分至的“炸彈氣旋”暴風雪使美國地表溫度率比往年高，零攝氏度等溫線偏移[2]，南人畜傷亡，公路交通運輸受到影響，給人我國的冰雪災害主要有以下三個特點。第全球氣候變化的背景下，我國氣候諸要素1951 年至 2000 年的五十多年間，我國發(fā)生冰雪災害。圖 1.1 是我國降雪日數分布圖

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本文編號：2725619