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超声波测风系统的研制

超声波测风系统的研制

作者：梁亮吉林大学

学位级别：硕士

众所周知,在各类气象要素中,风是最活跃的要素之一。风速的测量在军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面具有重要的用途,而目前常用的风速仪已不能满足日益增长的测量需求。风速仪的主流发展方向已经转向了具有结构简单、抗振... 详细信息

众所周知,在各类气象要素中,风是最活跃的要素之一。风速的测量在军事、气象、科学试验、工业、航海、航空等方面具有重要的用途,而目前常用的风速仪已不能满足日益增长的测量需求。风速仪的主流发展方向已经转向了具有结构简单、抗振动、测量速度快、精度高、测量范围宽、适用于野外恶劣环境下工作等其他测量方法无可比拟的优点的超声波测风仪。国外对超声波测量的研究与应用己经发展了一百多年,很快就研制出了测量精度高、稳定性好的超声波测风仪器,而国内由于研究较晚加上国外的技术封锁,仅有个别厂商生产出成型产品,与国外同类产品也存在较大差距,所以国外普通产品卖到国内的价格都在万元以上。因此,国内迫切需要加强对拥有自主知识产权的同类产品的研发,提高竞争力,降低本国企事业单位的生产和测量成本。基于以上原因,同时受长春气象仪器研究所委托,本文针对超声波测风的关键技术展开研究,并将其应用到实际的超声波测风系统中。本文取得的主要科研成果如下:1)由于硬件电路的限制,模拟式改进型时差法超声测风系统不能有效的抑制噪声和干扰,因此造成仪器在高风速时不能准确的测量出时延,从而严重影响风速的测量结果,优化模拟电路的设计和制作可在一定程度上提高测量效果,但以目前长春气象仪器研究所(或者说国内气象仪器生产单位)的技术水平,很难在模拟电路的设计和制作上有所突破,以提高超声测风仪的量程和精度,因此采用数字式超声回波信号时延估计的方法才是解决这个问题的捷径。2)基于循环统计量的循环相关法对高斯噪声和周期性干扰环境下的超声回波信号时延估计具有较小的均方根误差和较高的估计精度;但当超声回波信号中不仅含有高斯噪声,还含有脉冲冲击噪声(即alpha稳定分布噪声)时,基于二阶统计量的互相关和循环相关等算法和性能均出现退化,甚至失效。因此要求超声波测风系统中的时延估计算法必须对alpha稳定分布噪声、高斯噪声和周期性干扰均有效。3)提出了两种适用于分数低阶alpha稳定分布噪声、高斯噪声和周期性干扰环境下超声回波信号的时延估计方法:基于循环共变的超声回波信号时延估计算法和基于归一化循环相关的超声回波信号时延估计算法;其中循环共变法在较低信噪比或较小噪声特征指数下具有比共变法更小的均方根误差和更高的精度,但存在均方根误差依然较大并且计算量大等问题,不能满足工程应用要求;而归一化循环相关法很好的解决了这些问题,具有工程应用价值;最后考虑到超声测风系统的处理器计算能力有限,而归一化循环相关法的计算量依然很大,所以提出了基于频移拆分和快速傅立叶变换的快速归一化循环相关算法,通过仿真实验和微处理器上的对比实验,表明快速算法的运算速度提高了50倍左右,为工程应用铺平了道路。4)对数字式超声测风系统的硬件结构和电路进行了设计和调试;然后针对归一化循环相关的超声回波信号时延估计算法的软件程序进行了设计;最后分别在无风环境、自制小风洞和DE1-5型低速风洞中进行了测试和分析,验证了基于归一化循环相关法的数字式超声测风系统满足本文提出的设计要求,风速测量指标高于国内外先进同类产品的水平。

关键词：超声波测风 alpha噪声周期性干扰循环共变归一化循环相关

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多反射式超声波测风模型及算法研究

电子测量与仪器学报 2023年第9期37卷 110-118页

作者：李浩琪行鸿彦王水璋侯天浩南京信息工程大学电子与信息工程学院南京210044 南京多基观测技术研究院有限公司南京210044

针对当前超声波测风阵列体积大传输路径短,测量精度低的问题,设计了4个收发一体的超声波换能器,按方形排列,探头垂直朝下放置,超声波信号通过在测风区域之间多次反射完成测风,相比于一次反射超声波测风阵列体积缩小20%。基于所建模型,... 详细信息

针对当前超声波测风阵列体积大传输路径短,测量精度低的问题,设计了4个收发一体的超声波换能器,按方形排列,探头垂直朝下放置,超声波信号通过在测风区域之间多次反射完成测风,相比于一次反射超声波测风阵列体积缩小20%。基于所建模型,提出自适应测风算法以减弱阴影效应对测风精度的影响。利用SpaceClaim Design Modeler软件建立了测风阵列以及风洞模型,通过Fluent Meshing进行网格划分,使用Fluent软件改变模拟风洞内的风速和风向,验证了所设计的小型超声波测风阵列和自适应权重测风算法在减弱阴影效应提高测量精度的优越性。实验结果表明,自适应权重测风算法相比于传统测风算法的测速精度提高了12.44%,测角精度提高了10.40%。

关键词： Fluent仿真阴影效应超声波测风自适应权重

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高精度超声波测风仪的设计

传感器与微系统 2010年第2期29卷 87-89,92页

作者：曹长宏蒋立辉中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室天津300300

设计了一种能用于低空风速风向测量的新型超声波测风仪。给出了超声波测风的基本原理,并对系统采用的互相关时延估计算法进行了分析,详细描述了超声波测风仪的系统结构和时序控制。实验证明:该系统可以精确测量风速与风向,并具有频响快... 详细信息

设计了一种能用于低空风速风向测量的新型超声波测风仪。给出了超声波测风的基本原理,并对系统采用的互相关时延估计算法进行了分析,详细描述了超声波测风仪的系统结构和时序控制。实验证明:该系统可以精确测量风速与风向,并具有频响快、工作可靠等特点,可以用于机场区域低空风场情况的实时监测。

关键词：超声波测风互相关检测超声波传感器

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基于改进时差法的超声波测风系统研究

基于改进时差法的超声波测风系统研究

作者：杨应鹏南京信息工程大学

学位级别：硕士

风速风向的精确测量,广泛应用于航海,建筑,环境监测,农业生产,风力发电以及气象预报和科学研究中。超声波测风是一种新型的风速测量方式,研究超声波测风仪系统误差和测量误差,分析各种误差的产生原因,减少测量误差,提高测量精度使测风... 详细信息

风速风向的精确测量,广泛应用于航海,建筑,环境监测,农业生产,风力发电以及气象预报和科学研究中。超声波测风是一种新型的风速测量方式,研究超声波测风仪系统误差和测量误差,分析各种误差的产生原因,减少测量误差,提高测量精度使测风仪达到实际测量要求,这些是超声波测风仪市场化应用的前提。现阶段超声波测风仪器因自身换能器频率、电压、功率、阵列结构的不同。所测量的风速量程,精度,准确度也不一样。传统的超声波测风仪在极端环境下因自身的结构原因有很多很多测量弊端。其中超声波探头对风的前进路线产生阻挡,继而在探头后面产生一片阴影区,探头前方产生湍流区,对风速测量准确性产生影响。为了弥补阴影效应的误差,在时差法的基础上拟合出单路径风速补偿算法,通过单路径风速补偿公式推导出超声波风速角度补偿公式,得到正交阵列模型的风速风向的阴影效应补偿算法。利用原始数据与阴影效应补偿公式进行拟合。观察到风速角度补偿函数与测量值的拟合效果良好,补偿后的风速误差由14.65%降低到1.74%。风速风向测量精度得到了提高。此外在硬件系统进行超声波时延测量时,如何得到正确的时延数据是一个难点。观察不同的风速下、不同的启动信号下超声波的回波信号。研究回波信号与驱动信号、风速的关系,动态调节驱动信号电压大小、驱动脉冲个数,保证回波信号稳定。利用回波检测芯片GP22动态调节回波检测阈值,保证回波信号的第一波检测,确保时延数据的准确性。本文通过改进时差法,在时差法的基础上提出新的阴影效应补偿算法,另外在利用时差法进行时延测量时,通过动态调节驱动信号维持回波信号稳定,设计出一种新的风速测量系统,达到设计目标,具有很高的使用价值。

关键词：超声波测风阴影效应数据拟合动态调节第一波检测

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复杂噪声背景下的超声波测风方法研究

复杂噪声背景下的超声波测风方法研究

作者：潘向阳吉林大学

学位级别：硕士

风与人们的日常生活息息相关,风速风向测量在军事、气象、航海、航空等多个领域起着重要作用。随着人们对测风要求的提高,超声波测风凭借低延迟、高精度、宽范围、低启动风速等优势从众多测风方法中脱颖而出成为学者们研究的热点。时差... 详细信息

风与人们的日常生活息息相关,风速风向测量在军事、气象、航海、航空等多个领域起着重要作用。随着人们对测风要求的提高,超声波测风凭借低延迟、高精度、宽范围、低启动风速等优势从众多测风方法中脱颖而出成为学者们研究的热点。时差法是最常用的超声波测风方法,其核心是对时延的精准估计,互相关法作为最易于硬件实现的超声时延估计方法,需要通过谱峰搜索获得时延,延迟较大。此外测风环境中存在的背景噪声也会影响测量结果的准确性,现有方法一般假设背景噪声符合高斯分布,然而研究发现实际环境中的背景噪声往往更为复杂,含有α噪声等非高斯成分。目前用于处理α噪声的分数低阶统计量算子(Fractional Low Order Statistics,FLOS)不能完全抑制α噪声,导致测风结果并不理想。为了实现复杂噪声背景下的高精度测风,需要提出能有效抑制α噪声且延迟较低的测量方法,为此本文做了如下工作:1.分析对比时差法和相位差法的优缺点,确定本文所使用的基本测风方法;采用一种正三角对射式超声波换能器阵列,对该阵列的风矢量合成方法进行推导并对风向角进行校正,最后给出收发信号数学模型。2.针对互相关法计算量较大等缺点,提出一种基于正交锁定放大的超声波测风方法,设计数字正交锁定放大器,最后通过仿真实验对算法性能进行检验。3.针对复杂噪声背景中存在的α噪声成分,提出一种基于分数阶相关函数的超声波测风方法。首次给出分数阶均值和分数阶相关函数的定义,然后推导分数阶相关函数在平稳随机过程中的性质,接着分析分数阶相关函数在复杂噪声背景下估计时延的原理,最后设计仿真实验对算法性能进行检验。4.搭建超声测风样机并进行实测实验。首先明确测风样机硬件整体框架,对样机各硬件模块进行设计,接着设计样机软件系统和上位机,最后对样机分别进行无风测试和有风测试并分析实验结果。

关键词：超声波测风时延估计正交锁定放大 α噪声分数阶相关函数

三维超声波测风系统中算法研究及其换能器阵列设计

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三维超声波测风系统中算法研究及其换能器阵列设计

作者：吴红军南京信息工程大学

学位级别：硕士

超声波测风作为气象测风的主流方式一直备受关注,对超声波测风的系统性研究近年来逐步加深。但是传统的超声波测风系统研究往往忽略了风力场中流体流动的特点以及伴随着流体共同传输的超声波信号噪声分布的特点,在算法研究中直接套用匹... 详细信息

超声波测风作为气象测风的主流方式一直备受关注,对超声波测风的系统性研究近年来逐步加深。但是传统的超声波测风系统研究往往忽略了风力场中流体流动的特点以及伴随着流体共同传输的超声波信号噪声分布的特点,在算法研究中直接套用匹配度较低的高斯模型,在阵列研究中忽略阴影效应的影响,导致系统测量精确度与稳定性较低。本文从超声波测风特点出发,阐述其优越性并分析当前研究的技术难点,确定提高系统测量精确度与稳定性的研究方向:超声波时延估计算法研究、三维超声波换能器阵列设计以及系统硬件与软件的选型和设计,并将各部分的研究结果应用到三维超声波测风系统中,通过各部分分别仿真测试验证系统理论上的精确度和稳定性,通过系统整体分析与测试检验系统实际应用时所能达到的性能指标。超声波信号在传输过程中出现非高斯噪声的现象非常严重,给时延估计算法处理带来了困难。针对这一问题,提出了一种基于SαS-FLOCS的广义分数低阶协方差时延估计算法。该方法在传统时延估计算法的基础上,考虑有色噪声的分布特点,利用对称alpha稳定分布模型改进其滤波方式,在谱估计过程中引入分数低阶协方差,利用协方差系数参数建立滤波器,对处理后的信号进行协方差相关函数峰值检测。在仿真中,通过配置不同噪声环境和不同信噪比条件,分析其均方根误差和标准差。针对三维超声波测风技术中常用换能器阵列忽略阴影效应影响的问题,在分析粘性可压缩的非定常牛顿流场特性的基础上,设计了一种模仿特殊四面体棱边设计的非正交换能器阵列,阵列通过降低测风路径上尾迹区湍流度的方法提高换能器探头之间风速的均匀性。在阵列仿真中选取k-ε湍流模型,利用GAMBIT软件建立换能器阵列模型,在FLUENT软件中配置气体流速和雷诺数等环境参数,仿真阵列在低速层流区和高速湍流区的数据结果,分析其速度分布云图和测风路径速度折线图。结合时延估计算法和换能器阵列搭建基于FPGA芯片和VerilogHDL语言的三维超声波测风系统实验平台,确定系统整体的框架和主要功能,完成硬件平台和软件平台的设计。硬件设计主要包括核心处理和控制电路、电源电路、超声波驱动接收电路、信号采集电路、存储电路和显示电路,软件设计主要包括FPGA整体软件设计流程、超声波逻辑控制、算法处理。对设计完成的三维超声波测风系统进行场外实地测试、风洞测试和基本环境试验。通过对三维超声波测风当前研究热点问题进行分析,结合数字信号处理和流体力学的相关理论知识,本文提出了基于SαS-FLOCS的广义分数低阶协方差时延估计算法,设计了非正交换能器阵列,搭建了三维超声波测风系统实验平台。实验结果表明:所设计的系统基本达到预期指标,具备较高的精确度与稳定性。

关键词：超声波测风时延估计分数低阶协方差换能器阵列阴影效应

冲击噪声背景下基于双频测量的超声波测风方法研究

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冲击噪声背景下基于双频测量的超声波测风方法研究

作者：齐金伟吉林大学

学位级别：硕士

风作为一种活跃且重要的气象要素,风速与风向被应用在人类生产活动的各个方面。在众多测风技术中,超声波测风方法以其独有的优势成为学者们关注的对象。随着社会的进步与科技的发展,高测量精度、宽测量范围、稳定可靠的超声波测风系统... 详细信息

风作为一种活跃且重要的气象要素,风速与风向被应用在人类生产活动的各个方面。在众多测风技术中,超声波测风方法以其独有的优势成为学者们关注的对象。随着社会的进步与科技的发展,高测量精度、宽测量范围、稳定可靠的超声波测风系统的研发变得至关重要。目前,常见的超声波测风系统大多是基于时差法或者相位差法,时差法取决于超声波传播时间的测量精度,由于接收信号的起点不易判别,直接测量超声波的传播时间容易造成较大误差,而相位差法则存在相位周期的判别或者限制问题,使得该方法下的测风系统仅能进行中低风速的测量。此外,当测风系统的背景噪声比较复杂,存在冲击噪声时,也将会对风速风向的测量精度造成极大影响。基于上述原因,本文针对如何提高冲击噪声背景下超声波测风系统的精度以及范围展开了研究,主要研究工作及创新点如下:1.综合分析时差法以及相位差法所存在的固有缺陷及相关特点,将两种方法优势互补,以改进时差法作为风速风向计算的基本方法,将相位差法作为获取超声波时延的手段,并以此确定了本文所使用的测风阵列、风速风向合成算法以及超声波信号模型。2.对测风过程中存在的含有冲击特性的背景噪声进行了α稳定分布概率模型检验。首先针对背景噪声α稳定分布概率模型检验过程中遇到的特征指数估计问题,提出了一种基于几何功率的特征指数估计方法,并通过仿真实验对其在不同条件下的特征指数估计性能以及计算量进行了分析;然后利用概率密度检验法、无穷方差检验法以及稳定性检验法对实测的背景噪声进行了模型检验,判断其是否服从α稳定分布。3.提出了一种α噪声背景下的超声波测风方法:基于归一化相关与双频法联合估计的超声波测风方法。首先对该方法抑制α噪声获取超声波时延的过程进行了详细推导;然后分析了该方法的限制条件以及风速测量范围的确定方法;最后分别设计了无噪声(理想)以及有噪声实验,分析了算法在无噪条件下的理论测风性能以及在不同噪声特性下的测风性能。4.为验证本文方法的有效性,搭建了工程样机。首先明确了样机系统的功能框架,对硬件电路进行了设计以及调试;然后对基于归一化相关与双频法联合估计的超声波测风方法的软件程序进行了设计;最后分别在实验室无风条件以及测试风洞中对工程样机进行了测试与分析。

关键词：超声波测风时差法相位差法 α噪声归一化相关双频法

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超声波测风系统的设计及低速风洞试验分析

科学技术创新 2024年第15期 215-218页

作者：蔡震坤陈禹新疆气象技术装备保障中心新疆乌鲁木齐

本文主要探究了超声波测风系统的软硬件设计内容,并通过风洞标定试验对本系统的应用效果进行了验证。该系统的主控单元采用低功耗、高性能的MSP430F5528单片机,使用TDC1000收发一体超声波换能器,获取顺风和逆风下超声波信号的飞行时间,... 详细信息

本文主要探究了超声波测风系统的软硬件设计内容,并通过风洞标定试验对本系统的应用效果进行了验证。该系统的主控单元采用低功耗、高性能的MSP430F5528单片机,使用TDC1000收发一体超声波换能器,获取顺风和逆风下超声波信号的飞行时间,并通过时差法求得风速。试验结果表明,本系统的风速测量结果与风洞实际风速十分接近,误差在0.04 m/s~0.08 m/s,超声波测风精度较高,达到了设计预期。

关键词：超声波测风微处理器超声波换能器风洞试验

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超声波测风系统中自适应时延估计算法的研究

超声波测风系统中自适应时延估计算法的研究