第 1 章   緒論 

1.1  課題研究背景及意義
在各類氣象要素中，風是最活躍的要素之一。風速的測量被廣泛應用于軍事、氣象、科學試驗、工業(yè)、航海、航空等方面[1~6]。在戰(zhàn)爭中，  由于風的作用，發(fā)射出去的火炮的彈道會發(fā)生改變，從而導致射擊精度的降低[5]；一些體育運動中也常常需要測量風速、風向，如田徑、帆船、劃艇和野外射擊等比賽[6]；風速和風向還會嚴重影響海洋航行中船只的安全，因此海洋航行中風速的測量也是至關重要的；飛機在機場起飛或降落時，必須根據(jù)近地面的風速和風向來調整起飛或著陸的方式[5]；在飛機或無人機的飛行過程中，風速和風向是關系到飛機駕駛和飛行安全的一個重要參數(shù)；在氣象部門，地面和空中的風速、風向更是氣象分析的一個重要參數(shù)；各類風扇制造業(yè)、風力發(fā)電、風力渦輪機等也離不開風速、風向的測量。因此，快速、可靠、寬范圍、高精度的風速、風向測量儀具有極大的市場需求。 目前，常用的風速測量技術有機械式測量、皮托管測量、熱線熱膜測量、激光多普勒測量、超聲波測量等[3~9]。其中熱線熱膜測量精度較高，但只適合測量比較低的風速段；激光多普勒測風方法具有測量精度高和測量范圍廣的優(yōu)點，但儀器結構復雜，不適宜在野外惡劣的環(huán)境中工作；機械式的測量方法因為存在轉動部件、啟動風速高、同時轉動產(chǎn)生的慣性還會引起遲滯效應等問題，主要應用于精度要求不高且風速較低、風速變化范圍不大的測量環(huán)境中；皮托管式測量方法在被測風速小于 10m/s 時精度很低，并且不適合用于含雜質氣體的風速測量，因此存在較大的使用局限性。超聲波測量方法以其獨有的測量范圍寬、測量精度高、測量速度快、啟動風速低、結構簡單、抗振動、適用于野外惡劣環(huán)境下工作等其他測量方法無可比擬的優(yōu)點，而倍受人們青睞，成為目前風速儀的主流發(fā)展方向。 目前，國外已生產(chǎn)出多種基于超聲波原理的高精度測風儀器儀表，相比之下，我國在超聲波風速、風向測量的研究方面，由于起步較晚，還沒能研究出穩(wěn)點可靠的產(chǎn)品，缺少國內(nèi)產(chǎn)品的競爭使得國外產(chǎn)品往往賣價高昂，不利于超聲波測風儀在國內(nèi)的推廣和應用[7]。鑒于此，國內(nèi)迫切需要加強對擁有自主知識產(chǎn)權的超聲波測風儀的研發(fā)，提高國內(nèi)企業(yè)的競爭力，同時降低風速的測量成本。 根據(jù)長春氣象儀器研究所針對超聲波風速儀所作的市場研究報告，僅國內(nèi)對該儀器的年需求量就在 5000 臺以上，如果考慮到國際市場，其需求量更大。因此，該儀器的研發(fā)具有重大的科研價值和廣闊的市場應用前景。 
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1.2  超聲波測風的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在國外，超聲波測量己經(jīng)發(fā)展了一百多年[10]，隨著時代的發(fā)展，超聲測風技術經(jīng)歷了幾代研究人員的改進與創(chuàng)新，逐步達到測量精度高，穩(wěn)定性好等先進水平，表 1.1概述了國外的研究概況。國外公司以及科研機構對超聲波測量的研究工作比較早，現(xiàn)已生產(chǎn)出成熟可靠的產(chǎn)品，并已投入各行各業(yè)的應用中。但價格較高，一般性能的產(chǎn)品價格都在萬元以上，如英國 GILL 公司的 Wind Master Pro [17]、荷蘭  Vaisala  公司的 Vaisala WMT25 [18]  、美國R.M.YOUNG 公司的 Model 85000 [19]、意大利的 Delta OHM 風速風向儀[20]等。這些產(chǎn)品的風速測量范圍可以達到 0~60m/s，誤差僅為 0.2m/s，角度測量范圍為 0~360°，角度誤差僅為 3°，在銷售市場也占有了大部分的銷售份額。相關產(chǎn)品已經(jīng)應用到氣象監(jiān)測站、浮標、環(huán)境監(jiān)測、航海、機場、鉆井平臺等領域，其可靠性和精度也得到了廣泛的印證，取得了較好的效果。由于研究起步晚、技術不成熟、研發(fā)成本高等原因，國內(nèi)廠家在超聲波測風方面多處于仿制研發(fā)階段，與國外還有較大差距。目前國內(nèi)僅有少數(shù)廠商能生產(chǎn)出成型的超聲波測風產(chǎn)品，如船舶系統(tǒng)工程部的固態(tài)氣象儀[21]、成都成電光信科技股份有限公司生產(chǎn)的 CD-UA09G 超聲波測風儀[22]、深圳智翔宇儀器設備有限公司的 CFF-2、CFF-3型超聲波風速風向儀[23]，上海華巖儀器設備有限公司生產(chǎn)的 2D 超聲波測風儀[24]等，雖然標稱指標基本達到了國外超聲波測風產(chǎn)品的水平，但用戶反應普遍存在性能指標不穩(wěn)定的缺點，與國外同類產(chǎn)品相比，有明顯的差距。
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第 2 章   模擬式改進型時差法超聲測風系統(tǒng)研究 

本章對目前國內(nèi)外普遍采用的模擬式改進型時差法超聲測風系統(tǒng)進行了研究，對其軟硬件進行了設計、制作和調試，并且編制了上位機監(jiān)控軟件。分別制作了對射式和反射式超聲測風系統(tǒng)的樣機，調試通過后在長春氣象儀器研究所的國家氣象儀器質量監(jiān)督檢驗中心用 EDE1-5 型大型低速風洞進行了測試，并對測試結果進行了分析，最后對模擬式改進型時差法超聲測風系統(tǒng)失敗的原因進行了分析。

2.1  超聲測風系統(tǒng)的硬件設計
本章所提模擬式改進型時差法超聲波測風系統(tǒng)采用相互正交的兩對收發(fā)一體式超聲傳感器結構（其結構如圖 1.1 所示）。圖 2.1 為改進型時差法超聲測風系統(tǒng)的功能框圖，系統(tǒng)上電后，由微處理器發(fā)出驅動信號，經(jīng)驅動電路將該信號放大和整形后用于驅動超聲波傳感器發(fā)出超聲波，與其相對的超聲波傳感器在接收到超聲波信號后，將聲波信號轉換為電信號，經(jīng)接收電路和模擬開關后進入處理電路，處理電路包括放大電路、帶通濾波電路、信號截取電路、包絡提取電路、低通濾波電路和滯回比較電路。滯回比較電路的輸出信號包含了超聲波在空氣中的延遲時間信息，通過微處理器的時間捕獲功能就可以把這個時間測量出來，再用 1.3.1 節(jié)的改進型時差法就可以計算出風速和風向角。 
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2.2  時差法超聲測風系統(tǒng)的軟件設計

在嵌入式系統(tǒng)中，軟件是與硬件相互依存的，，本節(jié)對時差法超聲測風系統(tǒng)的軟件進行了設計，其總體流程圖如圖 2.2 所示。系統(tǒng)上電后，處理器對各模塊進行初始化；然后每 20m S 依次驅動傳感器 1、2、3、4 發(fā)出超聲波，同時依次控制模擬開關選通其正對方向的傳感器 3、4、1、2 作為接收探頭后，再打開處理器的時鐘捕獲功能，將超聲波的傳播時間記錄下來，四個方向的傳播時間均記錄下來后，記數(shù)值加 1，重復上述步驟，直到記數(shù)值為 10，這樣 800m S內(nèi)每個方向的時間均記錄了 10 次；然后分別對 4 組時延數(shù)據(jù)進行排序，去掉最大值和最小值后求平均值，再帶入式（1.5）和式（1.6）中計算兩個正交方向的風速，再用式（1.7）和式（1.8）算出合成風速和風向角；最后通過串口輸出四個方向的時間、風速、風向角和 CRC 校驗值；重復上述步驟，保證每秒輸出一組數(shù)據(jù)。 

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第 3 章   基于二階矩的時延估計算法的退化 ........... 23 
3.1 alpha 穩(wěn)定分布噪聲 ..... 23 
3.2  超聲測風系統(tǒng)對時延估計精度的要求 ......... 25 
3.3  超聲回波信號的數(shù)學模型 ............ 25
3.4  二階統(tǒng)計量類時延估計算法的退化..... 27
3.5  實測超聲回波信號時延估計 ........ 29 
3.6  本章小結 .... 32 
第 4 章   alpha 噪聲下超聲回波信號時延估計算法的研究 ...... 33 
4.1  基于循環(huán)共變的超聲回波信號時延估計算法....... 33 
4.2  基于歸一化循環(huán)相關的超聲回波信號時延估計算法 ............ 40
4.3  實測超聲回波信號時延估計 ........ 45 
4.4  歸一化循環(huán)相關法的快速實現(xiàn) .... 46
4.5  本章小結 .... 50 
第 5 章   數(shù)字式超聲波測風系統(tǒng)樣機測試與分析 ............ 53 
5.1  超聲波測風系統(tǒng)的搭建 ....... 53 
5.2  無風環(huán)境時延估計測試 ....... 56 
5.3  自制小風洞測試與結果分析 ........ 58 
5.4   EDE1-5 型低速風洞測試與結果分析 ......... 59 
5.5  本章小結 .... 62 

第 5 章   數(shù)字式超聲波測風系統(tǒng)樣機測試與分析

為了進一步印證數(shù)字式超聲測風系統(tǒng)的優(yōu)越性，以及歸一化循環(huán)相關法及其快速實現(xiàn)方法在超聲測風系統(tǒng)中的抗干擾、抗噪聲性能和實時性的優(yōu)勢，本章設計并搭建了數(shù)字式超聲測風系統(tǒng)的樣機，采用歸一化循環(huán)相關法對采集到的超聲回波信號進行時延估計，采用改進型時差法計算風速和風向角。在樣機調試通過后分別在無風環(huán)境、自制小風洞和 EDE1-5 型低速風洞中進行了測試并對實驗結果進行了分析。

5.1  超聲波測風系統(tǒng)的搭建
本章搭建的超聲測風系統(tǒng)的外殼、機械結構和超聲波傳感器均與第二章中的反射式超聲測風系統(tǒng)相同，只是對局部電路進行了改進或重新設計。如圖 5.1 所示為數(shù)字式超聲測風系統(tǒng)的硬件總體功能框圖。四個相互正交的超聲波傳感器分別連接一個收發(fā)模塊（其電路由驅動電路和接收電路組成，與第 2 章中的驅動電路和接收電路相同），收發(fā)模塊的控制信號由微處理器給出；收發(fā)模塊的輸出信號進入模擬開關模塊（其電路與第 2 章中的模擬開關相同），模擬開關的選通信號也由微處理器控制；模擬開關模塊的輸出信號進入濾波放大模塊（其電路由第 2 章中的一級放大電路、帶通濾波電路和二級放大電路組成）；微處理器驅動 AD 采樣模塊對濾波放大模塊的輸出信號進行采集，并將結果讀回用于計算延遲時間，進而再用 1.3.1 節(jié)的改進型時差法計算出實時風速和風向角。本系統(tǒng)與第 2 章的改進型時差法超聲波測風系統(tǒng)相比省去了信號截取電路、信號截取放大濾波電路、低通濾波電路和滯回比較電路，增加了 AD 采樣電路，增強了微處理器性能，總體電路更加簡潔。本章僅對微處理器模塊和 AD 采樣模塊的電路進行介紹，其它電路與第 2 章相同或過于簡單，將不再贅述。 
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總結 

眾所周知，在各類氣象要素中,風是最活躍的要素之一。風速的測量在軍事、氣象、科學試驗、工業(yè)、航海、航空等方面具有重要的用途，而目前常用的風速儀已不能滿足日益增長的測量要求。風速計的主流發(fā)展方向已經(jīng)轉向了具有結構簡單、抗振動、測量速度快、精度高、測量范圍寬、適用于野外惡劣環(huán)境下工作等其他測量方法無可比擬的優(yōu)點的超聲波測風儀。國外對超聲波測量的研究與應用己經(jīng)發(fā)展了一百多年，很快就研制出了測量精度高、穩(wěn)定性好的超聲波測風儀器，而國內(nèi)由于研究較晚，加上國外的技術封鎖，僅有個別廠商生產(chǎn)出成型產(chǎn)品，但與國外同類產(chǎn)品相比還存在較大差距，因此國外普通產(chǎn)品賣到國內(nèi)的價格都在萬元以上。鑒于此，國內(nèi)迫切需要加強對擁有自主知識產(chǎn)權的同類產(chǎn)品的研發(fā)，提高競爭力，降低本國企事業(yè)單位的測量成本。基于以上原因，同時受長春氣象儀器研究所委托，本文針對超聲波測風的關鍵技術展開研究，并將相關技術應用到實際的超聲波測風系統(tǒng)中�？傊菊撐牡闹饕芯績�(nèi)容和結論有：針對目前國內(nèi)廣泛應用的模擬式改進型時差法超聲測風系統(tǒng)，研究了它的結構，設計并制作了具體實施電路，調試通過后，針對現(xiàn)在流行的兩種超聲波測風儀結構：對射式和反射式，分別搭建了樣機，并進行了風洞測試，分析了這種類型測風儀測量范圍有限、精度不高的原因；結果表明模擬式改進型時差法超聲測風系統(tǒng)由于硬件電路的限制，不能有效的抑制噪聲和干擾，因此造成在高風速時不能準確測量出時延，從而嚴重影響測量結果，優(yōu)化模擬電路的設計和制作可在一定程度上提高測量效果，但以目前長春氣象儀器研究所（或者說國內(nèi)氣象儀器生產(chǎn)單位）的技術水平，很難在模擬電路的設計和制作上有所突破以提高超聲測風儀的量程和精度，這也為后續(xù)章節(jié)轉向數(shù)字式超聲測風儀的研究提供依據(jù)。 
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參考文獻(略)

本文編號：196223