模块化手持自动气象站测风模型研究及系统设计

作     者：李浩琪 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：行鸿彦

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：超声波测风 自适应权重 手持自动气象站 嵌入式系统 地面气象观测 

摘      要：风是大气探测中极其重要的气象要素,使用手持自动气象站作为测风平台,对于捕捉小范围风场变化和局部气象资料具有重要的理论意义和应用价值。超声波测风具有分辨率高、响应速度快、适用范围广等优点,然而换能器圆柱绕流产生的阴影效应对超声波测风造成巨大干扰,这是一个亟待解决的问题。 本文基于计算流体学方法,分析传统测风阵列中超声波换能器阴影效应形成机理,建立了手持自动气象站多反射超声波测风模型,降低阴影效应的影响;设计基于变换窗的最小均方根误差(Least Mean Squares,LMS)自适应滤波算法,解决环境噪声对测风的干扰问题;提出自适应权重测风算法,削弱支柱圆柱绕流对测风路径的干扰;搭建模块化手持自动气象站监测系统,在实测环境中验证了系统的功能。具体研究内容如下: 1、采用计算流体学方法,对不同超声波测风阵列测风区域附近的流场进行仿真,分析传统测风阵列的阴影效应,建立手持自动气象站多反射超声波测风模型,实验结果表明所建立模型能够有效降低阴影效应。 2、针对目前手持自动气象站受环境影响大,测风精度低的问题,设计一种窗体宽度可变的LMS自适应滤波算法,降低环境对超声波信号的影响。同时,针对由支柱所产生的圆柱绕流对测风路径的干扰问题,提出自适应权重测风算法,通过仿真实验验证了所提出算法的有效性。考虑到手持测量,研究风速矢量与测风模型姿态的关系,提出了基于陀螺仪数据的风速-风向修正算法,并在后续的室外动态测风的实验中得以验证。 3、设计了模块化手持自动气象站,实现对多个气象要素的实时观测。从处理器的选型、接口驱动电路、动态电源管理以及系统供电四个方面进行低功耗的设计。根据任务要求,基于模块化思想,合理划分任务,并设计了下位机软件,实现气象要素的采集、显示和上报。通过实验验证了手持自动气象站系统达到了设计要求。 4、为了确保自动气象站数据的可靠性,从数据处理和质量控制两个方面研究了数据质量控制方法,研发了手持自动气象站上位机软件。通过空间插值算法对测试数据进行统计分析,实现了气象要素可视化和小区域气象要素分析功能。 综上,本文在测风模型研究的基础上设计了模块化手持自动气象站系统,能够实现对温度、湿度、气压、空气质量、风速和风向的高分辨率连续观测和分析,对小区域天气的实时观测具有重要的实际意义和应用价值。