船载超声波测风系统设计与研究.pdf

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1、第33卷第6期2014年12月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．33．No．6Dee，2014船载超声波测风系统设计与研究李琦，刘颉，崔华义(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：设计了可应用于船载条件下风速风向测量系统．该系统基于超声波传播时间差法原理，并采用由陀螺仪、加速度计和磁力计组成，全球导航卫星系统辅助的低成本微型组合导航技术来测量风速风向。硬件设计方面搭建了以STM32F4xx和可编程逻辑器件为核心的船载测风硬件系统．软件设计中通过编程实现对测量数据的采集和分析处理。该系统可实现船载海洋环境风

2、速风向参数的智能化采集、管理及发布，具有广泛的应用前景和较高的应用价值。关键词：船载；测风系统；时间差法；微型组合导航技术中图分类号：P715．4文献标志码：A文章编号：1003—2029(2014)06—005l一07风矢量是重要的海洋环境观测要素之一，在海洋环境监测和航海等领域都需要对风速风向参数进行测量及数据管理，近年来，随着海洋事业的飞速发展，海洋环境观测的深度和广度在不断拓展，这对海洋环境要素观测的范围和精度等都提出了更高的要求，因此，开展适用于海洋环境、智能化、高精度的船载测风系统的研究工作具有非常重要的意义。超声波测风技术作为一

3、项新兴技术，具有非接触、易于维护、测量精度高、环境适应性强等优点，非常适合应用于海洋环境风矢量的测量。目前国外超声波测风仪已经有成熟产品，如芬兰的vAISALA公司、英国的GILL公司和英国的FT公司等的系列产品【l-3i。国内对超声波测风的研究起步较晚，且自主研发的产品较少，基本被国外产品垄断，其各性能指标相对于国外产品仍有较大差距，在测量精度和可靠性方面都还有待进一步提高。鉴于此，本文设计了可应用于船载条件下超声波测风系统理论模型，可实现海洋环境中风矢量的智能化采集。1船载测风系统测量原理1．1时差法超声波测风基本原理目前对于超声波风速风

4、向的测量较为常用的方法是时差法，它是利用一对超声波换能器相向交替收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺风和逆风的传播时间差来间接测量风速。当声波在空气介质中传播时，由于介质的流动使得声波的传播速度发生变化，即顺着介质流动的方向传播，传播速度将增加；而反之则降低(如图1所示，A点和B点为一对换能器所处位置，Js表示声波从A点到B点的传播距离)。声波在静止介质中的传播速度为C。，空气介质流动的速度为口，T1表示声波从A点到B点的传播时间，死表示声波从B点到A点的传播时间。假设声波由A探头和B探头相互交替发射与接收，由公式Tl=s／(e。抑)，T2

5、=s／(CO--U)得：秽=丁s。百1一丢)=争。器(1)收稿日期：2014—07—25基金项目：海洋公益性行业科研专项资助项目(2014418023)；国家高技术研究发展计划资助项目(SS2013AA092101)；青年海洋科学基金资助项目(2013424)作者简介：李琦(1985一)，男，助理工程师，主要研究方向为声学技术。E—mail：331922129@163．corn52海洋技术学报第33卷由公式1得到一维情况下介质的流动速度，如图1。该种方法可以不考虑声波在介质中的传播速度。因此，只要测量出时间兀和乃就能计算出风速移。图1一维情况

6、的测量原理示惹图在测量二维介质流速时，设计两对相互正交的探头，每一对均是一维情况，根据矢量合成方法可以获得介质流速相对于四个探头构成的直角坐标系的合成速度。设探头A和B构成X坐标轴，即风速的秽。分量；探头c和D构成y坐标轴(探头坐标系)，即风速的移，分量。r。表示声波从C点到D点的传播时间，F：表示声波从D点到C点的传播时间，每一个坐标轴上的速度应用公式(1)，获得Vx----s(1仍一1／疋)2，秽，：s(I／T'I-I／T’：)／2。设探头A到探头B的方向为X轴正向设为0。，探头C到探头D的方向为】，轴正向，角度按逆时针方向增大，由两者之

7、间的关系可得二维的风速风向[41：忙以2霄2i√(刍一≯(毒一主．)2(2)1一l‘≤t盯l≤7’2'女=0，12l；。=k，r+r／a—o。妾：?ii；；i嚣：笼竺暑。：(3)√、石疋’。、r’l五。’石<疋且，+l>，2，七=2，町=一1．1．2低成本微型组合导航技术船舶在海洋中航行受到风浪、海流等因素影响，其姿态会发生变化，如船体的上下起伏、左右摇摆和前后颠簸，使得测风系统无法得到正确的风速风向。为了使测风系统正常工作，可通过导航系统取得姿态、速度等信息，以改正或消除其由于船体姿态变化引起的测量误差。目前导航系统种类有惯性导航系统、全球

8、导航卫星系统、地磁导航系统、天文导航系统、重力场导航系统等，并且各有各的特点和所适应的应用场合。捷联式惯性导航系统(StrapdownInertialNavi—ga