高精度超声波测风仪的设计

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1、高精度超声波测风仪的设计摘要：设计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的原理，并对系统采用的互相关时延估计算法进行分析，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DesignofultrasonicanemometerofhighprecisionAbstract：anewultrasonicanemometerwhichisused

2、tomeasurelow-levelwindspeedanddirectionisdesigned.theprincipleoftheultrasonicwindmeasurementisdescribed,andthecross-correlationtimedelayestimationalgorithmofsystemisanalyzed.systemcofigurationandtimingcontrollofultrasonicanemometeraredescibedindetail.experiments

3、testifythesystemcanaccuratelymeasurewindspeedanddirection.italsohasothersadvatages,suchasfastfrequencyresponse,goodreliability,etc.soitcanbeusedforrealtimemonitoringofthesituationthelow-levelwindfieldatairport.Keywords:ultrasonicwindmeasurement;cross-correlation

4、detection;ultrasonictransducer0前言在民航运输中，风对飞机安全进场离场影响很大：风机起降时必须根据近地面的风速和风向选择适宜的起飞、着陆方向；低空风场情况复杂时（如存在低空风切换[1]）还会根据实际情况推迟或取消航班。所以，风的精确测量对飞行安全具有重要的意义。目前，我国民航机场仍多采用机械式测风仪，这种测风仪的成本低，但测量精度不高，测量精度一般为0.3m/s。传统的机械式因自身所固有的缺点将不再满足未来的需求。而超声波测风仪是超声波检测在气体介质中的一种新的应用。超声波测风与传统的转环

5、式、旋桨式测风相比具有独特的优点：它没有旋转部件，不存在机械磨损和因结冰而冻住部件的问题；频响快，在被测风速范围内输出是线性的；能够测定任意指定方向的风速分量；能够从理论上进行标定。这一技术在大气科学和工业部门日趋广泛应用。本文设计了一种基于时差法的低成本高精度超声波测风系统，采用互相关时延估计法进行高精度时延估计，以DSP+FPGA处理器架构为核心设计整个超声波测风系统，通过对低空定点风速与风向的精确测量，实现对机场低空风场情况的实时监测。1时间差法超声波测风原理超声波传感器通过正、逆压电效应实现高频声能和电能之间的

6、相互转换，从而实现超声波的发射和接收。设风速在空间直角坐标系的3个坐标上的投影分量分别为，，，超声波在静止空气中传播的速度为c，超声波从坐标原点发射到达某一等位面（x，y，z）所需的时间为t，则有（1）设在坐标原点A点（0，0，0）和x轴上距原点为d的B点（d，0，0）各置一个收发一体式超声波传感器，A点发射的声波被B点接收，之后，B点发射的声波被A点接收，同时，设从A点到B点为顺风风向。则超声波从A点发射到达B点的时间为（2）同理从B点到达A点的时间为（3）由和表达式可以得到（4）由式（4）可看出：只要测出顺风、逆风

7、传播时间，和传输时间差即可测出风速沿x轴向的分量。同理，沿直角坐标系y轴和z轴的投影分量和。在直角坐标系下最终获得的自然风风速v和风向角为（5）（6）时差法计算式（4）中不含声速c，避免了温度对系统测量精度的影响。但同时对时间测量提出了更高的要求，特别是的取值：在风速测量精度为0.15m/s的所设计要求下，和的精度要求为3.09us。而t的测量精度要求则达0.55us。所以，提高时间测量精度是系统实关键。为此，本系统采用相关检测法进行数据处理。相关检测方法目前被广泛应用于微弱信号检测领域，其最大的特点就是测量精度高，对

8、噪声具有很强的免疫性[2]。图1为2只超声波传感器接收到的信号波形，为采样起始时间，为系统器件固有时延，为采样时间，为所需测量的超声波信号顺风和逆风传输时间差。顺风向放置和逆风放置的超声波传感器接收到的信号分别为（7）（8）式中为传感器发射信号；，为衰减因子[3]；，为传输时延；和为与不相关的零均值高斯白噪声，由信号相关性可知，和