第 1 章   緒論 

1.1  課題研究背景及意義
在各類(lèi)氣象要素中，風(fēng)是最活躍的要素之一。風(fēng)速的測(cè)量被廣泛應(yīng)用于軍事、氣象、科學(xué)試驗(yàn)、工業(yè)、航海、航空等方面[1~6]。在戰(zhàn)爭(zhēng)中，  由于風(fēng)的作用，發(fā)射出去的火炮的彈道會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致射擊精度的降低[5]；一些體育運(yùn)動(dòng)中也常常需要測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向，如田徑、帆船、劃艇和野外射擊等比賽[6]；風(fēng)速和風(fēng)向還會(huì)嚴(yán)重影響海洋航行中船只的安全，因此海洋航行中風(fēng)速的測(cè)量也是至關(guān)重要的；飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)起飛或降落時(shí)，必須根據(jù)近地面的風(fēng)速和風(fēng)向來(lái)調(diào)整起飛或著陸的方式[5]；在飛機(jī)或無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程中，風(fēng)速和風(fēng)向是關(guān)系到飛機(jī)駕駛和飛行安全的一個(gè)重要參數(shù)；在氣象部門(mén)，地面和空中的風(fēng)速、風(fēng)向更是氣象分析的一個(gè)重要參數(shù)；各類(lèi)風(fēng)扇制造業(yè)、風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)力渦輪機(jī)等也離不開(kāi)風(fēng)速、風(fēng)向的測(cè)量。因此，快速、可靠、寬范圍、高精度的風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量?jī)x具有極大的市場(chǎng)需求。 目前，常用的風(fēng)速測(cè)量技術(shù)有機(jī)械式測(cè)量、皮托管測(cè)量、熱線熱膜測(cè)量、激光多普勒測(cè)量、超聲波測(cè)量等[3~9]。其中熱線熱膜測(cè)量精度較高，但只適合測(cè)量比較低的風(fēng)速段；激光多普勒測(cè)風(fēng)方法具有測(cè)量精度高和測(cè)量范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，但儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適宜在野外惡劣的環(huán)境中工作；機(jī)械式的測(cè)量方法因?yàn)榇嬖谵D(zhuǎn)動(dòng)部件、啟動(dòng)風(fēng)速高、同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性還會(huì)引起遲滯效應(yīng)等問(wèn)題，主要應(yīng)用于精度要求不高且風(fēng)速較低、風(fēng)速變化范圍不大的測(cè)量環(huán)境中；皮托管式測(cè)量方法在被測(cè)風(fēng)速小于 10m/s 時(shí)精度很低，并且不適合用于含雜質(zhì)氣體的風(fēng)速測(cè)量，因此存在較大的使用局限性。超聲波測(cè)量方法以其獨(dú)有的測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、啟動(dòng)風(fēng)速低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗振動(dòng)、適用于野外惡劣環(huán)境下工作等其他測(cè)量方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，而倍受人們青睞，成為目前風(fēng)速儀的主流發(fā)展方向。 目前，國(guó)外已生產(chǎn)出多種基于超聲波原理的高精度測(cè)風(fēng)儀器儀表，相比之下，我國(guó)在超聲波風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量的研究方面，由于起步較晚，還沒(méi)能研究出穩(wěn)點(diǎn)可靠的產(chǎn)品，缺少?lài)?guó)內(nèi)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)使得國(guó)外產(chǎn)品往往賣(mài)價(jià)高昂，不利于超聲波測(cè)風(fēng)儀在國(guó)內(nèi)的推廣和應(yīng)用[7]。鑒于此，國(guó)內(nèi)迫切需要加強(qiáng)對(duì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超聲波測(cè)風(fēng)儀的研發(fā)，提高國(guó)內(nèi)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)降低風(fēng)速的測(cè)量成本。 根據(jù)長(zhǎng)春氣象儀器研究所針對(duì)超聲波風(fēng)速儀所作的市場(chǎng)研究報(bào)告，僅國(guó)內(nèi)對(duì)該儀器的年需求量就在 5000 臺(tái)以上，如果考慮到國(guó)際市場(chǎng)，其需求量更大。因此，該儀器的研發(fā)具有重大的科研價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。 
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1.2  超聲波測(cè)風(fēng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在國(guó)外，超聲波測(cè)量己經(jīng)發(fā)展了一百多年[10]，隨著時(shí)代的發(fā)展，超聲測(cè)風(fēng)技術(shù)經(jīng)歷了幾代研究人員的改進(jìn)與創(chuàng)新，逐步達(dá)到測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好等先進(jìn)水平，表 1.1概述了國(guó)外的研究概況。國(guó)外公司以及科研機(jī)構(gòu)對(duì)超聲波測(cè)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(yīng)用中。但價(jià)格較高，一般性能的產(chǎn)品價(jià)格都在萬(wàn)元以上，如英國(guó) GILL 公司的 Wind Master Pro [17]、荷蘭  Vaisala  公司的 Vaisala WMT25 [18]  、美國(guó)R.M.YOUNG 公司的 Model 85000 [19]、意大利的 Delta OHM 風(fēng)速風(fēng)向儀[20]等。這些產(chǎn)品的風(fēng)速測(cè)量范圍可以達(dá)到 0~60m/s，誤差僅為 0.2m/s，角度測(cè)量范圍為 0~360°，角度誤差僅為 3°，在銷(xiāo)售市場(chǎng)也占有了大部分的銷(xiāo)售份額。相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用到氣象監(jiān)測(cè)站、浮標(biāo)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航海、機(jī)場(chǎng)、鉆井平臺(tái)等領(lǐng)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(shù)不成熟、研發(fā)成本高等原因，國(guó)內(nèi)廠家在超聲波測(cè)風(fēng)方面多處于仿制研發(fā)階段，與國(guó)外還有較大差距。目前國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)廠商能生產(chǎn)出成型的超聲波測(cè)風(fēng)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(cè)風(fēng)儀[22]、深圳智翔宇儀器設(shè)備有限公司的 CFF-2、CFF-3型超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀[23]，上海華巖儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 2D 超聲波測(cè)風(fēng)儀[24]等，雖然標(biāo)稱(chēng)指標(biāo)基本達(dá)到了國(guó)外超聲波測(cè)風(fēng)產(chǎn)品的水平，但用戶(hù)反應(yīng)普遍存在性能指標(biāo)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，有明顯的差距。
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第 2 章   模擬式改進(jìn)型時(shí)差法超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)研究 

本章對(duì)目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的模擬式改進(jìn)型時(shí)差法超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對(duì)其軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試，并且編制了上位機(jī)監(jiān)控軟件。分別制作了對(duì)射式和反射式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的樣機(jī)，調(diào)試通過(guò)后在長(zhǎng)春氣象儀器研究所的國(guó)家氣象儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心用 EDE1-5 型大型低速風(fēng)洞進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，最后對(duì)模擬式改進(jìn)型時(shí)差法超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)失敗的原因進(jìn)行了分析。

2.1  超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
本章所提模擬式改進(jìn)型時(shí)差法超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)采用相互正交的兩對(duì)收發(fā)一體式超聲傳感器結(jié)構(gòu)（其結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示）。圖 2.1 為改進(jìn)型時(shí)差法超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的功能框圖，系統(tǒng)上電后，由微處理器發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路將該信號(hào)放大和整形后用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)出超聲波，與其相對(duì)的超聲波傳感器在接收到超聲波信號(hào)后，將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)接收電路和模擬開(kāi)關(guān)后進(jìn)入處理電路，處理電路包括放大電路、帶通濾波電路、信號(hào)截取電路、包絡(luò)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(hào)包含了超聲波在空氣中的延遲時(shí)間信息，通過(guò)微處理器的時(shí)間捕獲功能就可以把這個(gè)時(shí)間測(cè)量出來(lái)，再用 1.3.1 節(jié)的改進(jìn)型時(shí)差法就可以計(jì)算出風(fēng)速和風(fēng)向角。 
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2.2  時(shí)差法超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中，軟件是與硬件相互依存的，，本節(jié)對(duì)時(shí)差法超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其總體流程圖如圖 2.2 所示。系統(tǒng)上電后，處理器對(duì)各模塊進(jìn)行初始化；然后每 20m S 依次驅(qū)動(dòng)傳感器 1、2、3、4 發(fā)出超聲波，同時(shí)依次控制模擬開(kāi)關(guān)選通其正對(duì)方向的傳感器 3、4、1、2 作為接收探頭后，再打開(kāi)處理器的時(shí)鐘捕獲功能，將超聲波的傳播時(shí)間記錄下來(lái)，四個(gè)方向的傳播時(shí)間均記錄下來(lái)后，記數(shù)值加 1，重復(fù)上述步驟，直到記數(shù)值為 10，這樣 800m S內(nèi)每個(gè)方向的時(shí)間均記錄了 10 次；然后分別對(duì) 4 組時(shí)延數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算兩個(gè)正交方向的風(fēng)速，再用式（1.7）和式（1.8）算出合成風(fēng)速和風(fēng)向角；最后通過(guò)串口輸出四個(gè)方向的時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向角和 CRC 校驗(yàn)值；重復(fù)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(shí)延估計(jì)算法的退化 ........... 23 
3.1 alpha 穩(wěn)定分布噪聲 ..... 23 
3.2  超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)對(duì)時(shí)延估計(jì)精度的要求 ......... 25 
3.3  超聲回波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型 ............ 25
3.4  二階統(tǒng)計(jì)量類(lèi)時(shí)延估計(jì)算法的退化..... 27
3.5  實(shí)測(cè)超聲回波信號(hào)時(shí)延估計(jì) ........ 29 
3.6  本章小結(jié) .... 32 
第 4 章   alpha 噪聲下超聲回波信號(hào)時(shí)延估計(jì)算法的研究 ...... 33 
4.1  基于循環(huán)共變的超聲回波信號(hào)時(shí)延估計(jì)算法....... 33 
4.2  基于歸一化循環(huán)相關(guān)的超聲回波信號(hào)時(shí)延估計(jì)算法 ............ 40
4.3  實(shí)測(cè)超聲回波信號(hào)時(shí)延估計(jì) ........ 45 
4.4  歸一化循環(huán)相關(guān)法的快速實(shí)現(xiàn) .... 46
4.5  本章小結(jié) .... 50 
第 5 章   數(shù)字式超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試與分析 ............ 53 
5.1  超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的搭建 ....... 53 
5.2  無(wú)風(fēng)環(huán)境時(shí)延估計(jì)測(cè)試 ....... 56 
5.3  自制小風(fēng)洞測(cè)試與結(jié)果分析 ........ 58 
5.4   EDE1-5 型低速風(fēng)洞測(cè)試與結(jié)果分析 ......... 59 
5.5  本章小結(jié) .... 62 

第 5 章   數(shù)字式超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試與分析

為了進(jìn)一步印證數(shù)字式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)越性，以及歸一化循環(huán)相關(guān)法及其快速實(shí)現(xiàn)方法在超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)中的抗干擾、抗噪聲性能和實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)，本章設(shè)計(jì)并搭建了數(shù)字式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的樣機(jī)，采用歸一化循環(huán)相關(guān)法對(duì)采集到的超聲回波信號(hào)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)，采用改進(jìn)型時(shí)差法計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)向角。在樣機(jī)調(diào)試通過(guò)后分別在無(wú)風(fēng)環(huán)境、自制小風(fēng)洞和 EDE1-5 型低速風(fēng)洞中進(jìn)行了測(cè)試并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

5.1  超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的搭建
本章搭建的超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的外殼、機(jī)械結(jié)構(gòu)和超聲波傳感器均與第二章中的反射式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)相同，只是對(duì)局部電路進(jìn)行了改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)。如圖 5.1 所示為數(shù)字式超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)的硬件總體功能框圖。四個(gè)相互正交的超聲波傳感器分別連接一個(gè)收發(fā)模塊（其電路由驅(qū)動(dòng)電路和接收電路組成，與第 2 章中的驅(qū)動(dòng)電路和接收電路相同），收發(fā)模塊的控制信號(hào)由微處理器給出；收發(fā)模塊的輸出信號(hào)進(jìn)入模擬開(kāi)關(guān)模塊（其電路與第 2 章中的模擬開(kāi)關(guān)相同），模擬開(kāi)關(guān)的選通信號(hào)也由微處理器控制；模擬開(kāi)關(guān)模塊的輸出信號(hào)進(jìn)入濾波放大模塊（其電路由第 2 章中的一級(jí)放大電路、帶通濾波電路和二級(jí)放大電路組成）；微處理器驅(qū)動(dòng) AD 采樣模塊對(duì)濾波放大模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，并將結(jié)果讀回用于計(jì)算延遲時(shí)間，進(jìn)而再用 1.3.1 節(jié)的改進(jìn)型時(shí)差法計(jì)算出實(shí)時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向角。本系統(tǒng)與第 2 章的改進(jìn)型時(shí)差法超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)相比省去了信號(hào)截取電路、信號(hào)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(qiáng)了微處理器性能，總體電路更加簡(jiǎn)潔。本章僅對(duì)微處理器模塊和 AD 采樣模塊的電路進(jìn)行介紹，其它電路與第 2 章相同或過(guò)于簡(jiǎn)單，將不再贅述。 
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總結(jié) 

眾所周知，在各類(lèi)氣象要素中,風(fēng)是最活躍的要素之一。風(fēng)速的測(cè)量在軍事、氣象、科學(xué)試驗(yàn)、工業(yè)、航海、航空等方面具有重要的用途，而目前常用的風(fēng)速儀已不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的測(cè)量要求。風(fēng)速計(jì)的主流發(fā)展方向已經(jīng)轉(zhuǎn)向了具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗振動(dòng)、測(cè)量速度快、精度高、測(cè)量范圍寬、適用于野外惡劣環(huán)境下工作等其他測(cè)量方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)的超聲波測(cè)風(fēng)儀。國(guó)外對(duì)超聲波測(cè)量的研究與應(yīng)用己經(jīng)發(fā)展了一百多年，很快就研制出了測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好的超聲波測(cè)風(fēng)儀器，而國(guó)內(nèi)由于研究較晚，加上國(guó)外的技術(shù)封鎖，僅有個(gè)別廠商生產(chǎn)出成型產(chǎn)品，但與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比還存在較大差距，因此國(guó)外普通產(chǎn)品賣(mài)到國(guó)內(nèi)的價(jià)格都在萬(wàn)元以上。鑒于此，國(guó)內(nèi)迫切需要加強(qiáng)對(duì)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的同類(lèi)產(chǎn)品的研發(fā)，提高競(jìng)爭(zhēng)力，降低本國(guó)企事業(yè)單位的測(cè)量成本�；谝陨显颍瑫r(shí)受長(zhǎng)春氣象儀器研究所委托，本文針對(duì)超聲波測(cè)風(fēng)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，并將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的超聲波測(cè)風(fēng)系統(tǒng)中。總之，本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論有：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的模擬式改進(jìn)型時(shí)差法超聲測(cè)風(fēng)系統(tǒng)，研究了它的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制作了具體實(shí)施電路，調(diào)試通過(guò)后，針對(duì)現(xiàn)在流行的兩種超聲波測(cè)風(fēng)儀結(jié)構(gòu)：對(duì)射式和反射式，分別搭建了樣機(jī)，并進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)試，分析了這種類(lèi)型測(cè)風(fēng)儀測(cè)量范圍有限、精度不高的原因；結(jié)果表明模擬式改進(jìn)型時(shí)差法超聲測(cè)風(fēng)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(fēng)速時(shí)不能準(zhǔn)確測(cè)量出時(shí)延，從而嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果，優(yōu)化模擬電路的設(shè)計(jì)和制作可在一定程度上提高測(cè)量效果，但以目前長(zhǎng)春氣象儀器研究所（或者說(shuō)國(guó)內(nèi)氣象儀器生產(chǎn)單位）的技術(shù)水平，很難在模擬電路的設(shè)計(jì)和制作上有所突破以提高超聲測(cè)風(fēng)儀的量程和精度，這也為后續(xù)章節(jié)轉(zhuǎn)向數(shù)字式超聲測(cè)風(fēng)儀的研究提供依據(jù)。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：196223