風(fēng)是一種由許多在時(shí)空上隨機(jī)變化的小尺度脈動(dòng)疊加,在大尺度規(guī)則氣流上的一種三維矢量。三維風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量在很多領(lǐng)域的信息積累和決策判斷方面都有重要作用,比如對(duì)機(jī)場(chǎng)低空風(fēng)切變的檢測(cè),來避免空難的發(fā)生;在航海中的風(fēng)帆助力船通過調(diào)整風(fēng)帆使之處于最佳迎風(fēng)角度,并借助風(fēng)能產(chǎn)生最大助推力來使橫向力最小,從而提高船只航行的穩(wěn)定性;在風(fēng)力發(fā)電方面,可以根據(jù)風(fēng)場(chǎng)中空間三維風(fēng)參數(shù)的確定,來調(diào)整風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu),使之處于最佳迎風(fēng)角度,以此提高風(fēng)力發(fā)電效率;而軍事方面導(dǎo)彈彈道的偏移,科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面風(fēng)洞中風(fēng)參數(shù)的偏差都需要借助三維風(fēng)參數(shù)的確定來進(jìn)行調(diào)整。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的測(cè)風(fēng)儀主要有機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀,熱敏式測(cè)風(fēng)儀,激光多普勒測(cè)風(fēng)儀,超聲波測(cè)風(fēng)儀等,但這也只能測(cè)量出二維平面上的風(fēng)參數(shù)信息,并不能對(duì)三維風(fēng)參數(shù)信息進(jìn)行完整的描述。根據(jù)現(xiàn)有的公開資料表明,在國內(nèi)外,對(duì)超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的設(shè)計(jì)研究工作已經(jīng)取得了比較大的發(fā)展及應(yīng)用,但相對(duì)于三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及市場(chǎng)需求的增加而言,相關(guān)的設(shè)計(jì)研究工作相對(duì)于二維平面風(fēng)參數(shù)測(cè)量的研究依然進(jìn)行的較少。波束成形算法是陣列信號(hào)處理理論中的一種典型算法,其算法計(jì)算量較小,實(shí)時(shí)性高在空域?yàn)V波及抑制噪聲方面有很大的優(yōu)越性。本文將利用波束成形算法的理論優(yōu)勢(shì),將其應(yīng)用到三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域中,以此來提高三維空間中風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量精度,并為三維風(fēng)參數(shù)的測(cè)量方法提供一種新思路。本文的主要工作內(nèi)容如下:(1)本文設(shè)計(jì)了一種三維半球形超聲波傳感器陣列結(jié)構(gòu),建立了風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中各接收陣元所接收超聲波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型,并推導(dǎo)了其陣列流型矢量,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合了陣列信號(hào)處理中典型的波束成形算法,通過譜峰搜索及三維空間矢量的分解與合成進(jìn)行了空間中三維風(fēng)速值、風(fēng)向角及俯仰角的測(cè)量。(2)對(duì)基于波束成形原理的三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法的相關(guān)原理及測(cè)量性能和所遇到的相關(guān)問題展開分析和討論:對(duì)所設(shè)計(jì)的超聲波傳感器陣列進(jìn)行陣列流型矢量推導(dǎo),并將其擴(kuò)展到隨機(jī)陣列;通過映射陣元位置的變化,深入解釋了風(fēng)參數(shù)對(duì)波束指向的影響;通過仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析了不同準(zhǔn)則下的波束成形和常規(guī)波束成形算法下的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法的可行性及相關(guān)性能;(3)通過搭建硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)本文所提三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量方法進(jìn)行可行性及工程可實(shí)現(xiàn)性驗(yàn)證:首先詳細(xì)描述了所搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體框架及各組成部分,并對(duì)實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞進(jìn)行風(fēng)洞性能測(cè)試;然后利用基于協(xié)方差矩陣的幅相誤差校正方法對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理;最后對(duì)硬件平臺(tái)所測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了誤差分析和討論,并驗(yàn)證了本文所提方法的可行性及工程可實(shí)現(xiàn)性。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：V321.2
【部分圖文】：

第1章緒論4測(cè)量方法也應(yīng)運(yùn)而生。圖1.1時(shí)差法測(cè)風(fēng)原理圖2006年，一種新的估計(jì)超聲波度越時(shí)間（TOF）的數(shù)字信號(hào)處理方法被提出[43]，通過對(duì)所接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行離散擴(kuò)展卡爾曼濾波處理，來提高回波包絡(luò)的形狀因數(shù)，并定位發(fā)射信號(hào)的信源位置，該方法能在低信噪比和回波形狀嚴(yán)重失真的情況下，減少TOF的測(cè)量偏差和不確定度。2011年，基于超聲波度越時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用，通過雙頻率的尖峰序列時(shí)間的不同而做的研究[44]，證明了開發(fā)合適參數(shù)實(shí)現(xiàn)的過程，研究了尖峰時(shí)間序列的瞬態(tài)行為關(guān)鍵特性，并推導(dǎo)了在系統(tǒng)過程中的抗干擾數(shù)據(jù)處理措施，通過重復(fù)的數(shù)據(jù)測(cè)試和線性回歸，有效的解釋了第一波前的高精度的度越時(shí)間。該文獻(xiàn)通過度越時(shí)間的精確獲取，直接有效的提高了基于時(shí)差法的超聲測(cè)風(fēng)的測(cè)量精度。2016年有文獻(xiàn)[45]指出，在使用足夠高的采樣頻率和較高性能的數(shù)字信號(hào)處理器的情況下，傳統(tǒng)的全數(shù)字處理方法，可以利用全數(shù)字波形，使之在較高信噪比的條件下具有高測(cè)量精度，但該測(cè)量精度往往會(huì)受到硬件性能的嚴(yán)重限制，并且很容易受到噪聲和信號(hào)失真的影響。而模擬過零檢測(cè)法可以與硬件匹配進(jìn)而達(dá)到很高的分辨率，但是它的精度容易受到檢測(cè)閾值，接收信號(hào)的基準(zhǔn)漂移，和噪聲的影響。因此該文獻(xiàn)中提出了一種數(shù)字式的過零檢測(cè)算法來進(jìn)行超聲波流量的測(cè)量，且在硬件平臺(tái)花費(fèi)少，采樣頻率和計(jì)算量都較低的情況下，達(dá)到高測(cè)量精度高和測(cè)量性能穩(wěn)定的測(cè)量效果。除了超聲測(cè)風(fēng)技術(shù)方面的研究與發(fā)展，也有不少學(xué)者開始將超聲測(cè)風(fēng)儀的結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。2017年，法國學(xué)者GiancarloMichelino等人討論分析了結(jié)構(gòu)對(duì)超聲測(cè)風(fēng)精度的影響，并提出了一種幾何結(jié)構(gòu)非正交的超聲測(cè)風(fēng)儀，如圖1.2所示，能進(jìn)行高強(qiáng)度的三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量，結(jié)果表明非正交排列的陣

非正交超聲測(cè)風(fēng)結(jié)構(gòu)

第1章緒論5原理的風(fēng)參數(shù)測(cè)量結(jié)果[46]。2016年，美國林業(yè)局研究站的JohnM.Frank等人在文獻(xiàn)[47]中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中超聲測(cè)風(fēng)儀收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)引入了貝葉斯分析，并通過安裝在水平和垂直方向上的風(fēng)速計(jì)之間的差異來解決三維風(fēng)參數(shù)校正問題,如圖1.3所示。該文所研究的基礎(chǔ)是兩個(gè)只能測(cè)量平面風(fēng)的測(cè)風(fēng)儀協(xié)同工作，將其分別進(jìn)行垂直和水平方向的安裝，然后聯(lián)合兩個(gè)測(cè)風(fēng)儀分別所測(cè)結(jié)果便能知道空間中的三維風(fēng)參數(shù)。但這也要求對(duì)測(cè)風(fēng)儀有嚴(yán)格的安裝規(guī)格。目前，較高精度的超聲波測(cè)風(fēng)儀已經(jīng)研制成功并開始實(shí)現(xiàn)商品化，比如英國的GILL公司[48]、美國的CSI公司[49]等，這些公司的三維風(fēng)參數(shù)測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，市場(chǎng)占有率也十分高，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在氣象、航空、航海等領(lǐng)域投入使用。圖1.2非正交超聲測(cè)風(fēng)結(jié)構(gòu)圖1.3測(cè)風(fēng)儀安裝結(jié)構(gòu)1.3波束成形技術(shù)研究現(xiàn)狀波束成形技術(shù)是智能天線研究中的核心內(nèi)容，最早可以追溯到20世紀(jì)40年代[50]。依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，波束成形算法可以分為許多種類。若依據(jù)基于對(duì)象的不同，波束成形算法可以分為基于方向估計(jì)[51]、基于訓(xùn)練信號(hào)或者參考信號(hào)[52]、基于信號(hào)結(jié)構(gòu)[53]的波束成形方法。還可以根據(jù)是否需要發(fā)射參考信號(hào)，將波束成形算法分為非盲算法[54]和盲算法[55]。波束成形算法的分類如圖1.4所示。波束成形技術(shù)是陣列信號(hào)處理理論中的一種典型算法，也是陣列信號(hào)處理的標(biāo)志之一，廣泛應(yīng)用在超聲成像[56]、雷達(dá)[57]、衛(wèi)星[58]、聲吶[59]等領(lǐng)域，該技術(shù)的實(shí)質(zhì)是對(duì)各陣元所接收信號(hào)進(jìn)行加權(quán)系數(shù)的處理，使之可以達(dá)到同相相加的目的，并在算法層面，達(dá)到增強(qiáng)期望信號(hào)，抑制干擾的目的，在物理意義上，可以理解
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