高精度超声波测风仪的设计

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：anewultrasonicanemometerwhichisusedtomeasurelow-levelwindspeedanddirectionisdesigned.theprincipleoftheultrasonicwindmeasurementisdescribed,andthecross-correlationtimedelayestimationalgorithmofsystemisanalyzed.systemcofigurationandtimingcontrollofultrasonicanemometeraredescibedindetail.experimentstestifythesystemcanaccuratelymeasurewindspeedanddirection.italsohasothersadvatages,suchasfastfrequencyresponse,goodreliability,etc.soitcanbeusedforrealtimemonitoringofthesituationthelow-levelwindfieldatairport.Keywords:ultrasonicwindmeasurement;cross-correlationdetection;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vx，vy，vz，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22222tczytxvvvzyx（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222/12221vccdvvvtxzy（2）同理从B点到达A点的时间为222/12222vccdvvvtxzy（3）由t1和t2表达式可以得到ttttttttvtdddx2121122122112（4）由式（4）可看出：只要测出顺风、逆风传播时间t1，t2和传输时间差t即可测出风速沿x轴向的分量vx。同理，沿直角坐标系y轴和z轴的投影分量vy和vz。在直角坐标系下最终获得的自然风风速vv和风向角为2/1222vvvzyxv（5）vvyx1tan（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t的取值：在风速测量精度为0.15m/s的所设计要求下，t1和t2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，tstart为采样起始时间，td为系统器件固有时延，ts为采样时间，t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nartst1111（7）nartst2222（8）式中ts为传感器发射信号；a1，a2为衰减因子[3]；1，2为传输时延；tn1和tn2为与ts不相关的零均值高斯白噪声，由信号相关性可知，tr1和tr2的互相关函数R12为ttrrR2112E2121Etstsaa2121Raass（9）当21时互相关函数取得最大值，R12的最大值处即为传感器接收信号的时间差t。对t1，t2的测量也采用类似的方法。相关时延估计算法简单、直观，但由信号的于互相关函数受谱性和噪声影响，此方法不能兼顾时延估值的分辨率和稳定性[4]。因此，在接受信号进行相关之前先进行预滤波处理，再根据滤波输出信号的互相关函数的峰值进行时延估计，以提高时延估计精度。因超声波信号为带限信号，所以，本系统中采用带通FIR滤波器作为滤波器。图1超声波传感器接收到的波形2超声波测风仪的设计2.1系统的设计超声波测风仪系统硬件以Alterm公司的FPGA和TI公司的DSP低成本处理器为核心进行设计。图2为超声波测风仪的系统结构1）传感器测量端：由6个超声波测风仪分成三组分别沿空间直角坐标系的x，y，z3个轴相对放置，6只传感器在FPGA的时序控制下依次完成超声波的发射与接收，从而实现对3个坐标轴上风速分量测量。2）信号前端处理器：将接收到的超声波脉冲信号先进行采样，采样频率为3MHZ，采样位数为12位，采样后的数据被读入FPGA。3）FPGA协处理器：用于控制超声波收发时序和前端放大的增益，并将采样得到的数据进行FIR滤波，数据缓存（FIFO），之后向DSP发出中断申请，通过EMIF（外部存储器接口）将数据送入DSP进行数据处理。4）DSP处理器：采用互相关时延估计算法将采样得到的数据进行处理，获得实时风速与风向值，并采用区间估计法进行在线异常数据处理，滤掉测量数据中粗大误差，最后，将测量结果通过RS-485接口送出。2.2超声波传感器超声波在介质中传播时由于声波的扩散，散射和吸收造成能量衰减，频率越高，衰减越大。因此，超声波频率越低越好。但考虑到风速测量精度，超声波频率却越高越好，而且，根据Brassier对声学噪声的试验研究[5]，40KHz左右是声学噪声能量最强的区域，500KHZ以上的高频段内声学噪声的能量较少。同时，还要考虑到传感器测量区域内的各点空气流速不均匀，为保证风速测量精度，传感器所围成的风场空间要尽可能的小，这样，就可能将所测量的风场区域近似为一个均匀风场。应用于高精度测风的超声波传感器的工作频率应选择300khz最佳，传感器所围成的风场测量区为一个底面直径为15cm，高为15cm的圆柱体，可近似为一个均匀风场区。超声波传感器选择美国AIRMAR公司生产的专用气体压电超声波传感器AT300。2.3收发驱动电路超声波传感器驱动信号通常采用宽带窄脉冲、方波脉冲、双极性调谐脉冲等几种驱动方式。本系统所选用的超声波传感器属于高频率超声波传感器，为使激励信号能够更好地驱动传感器，此次将采用宽带窄脉冲作为激励信号，通过提高激励脉冲幅度和减小脉冲宽度来实现。单个宽带窄脉冲因激励时间短，不能为传感器提供足够的能量，脉冲个数的选择既要保证接收信号幅度，又要缩短接收信号的长度。因此，本系统采用发射10个脉冲的脉冲簇方案。如图3所示，宽带窄脉冲信号由FPGA产生，通过电平转换器CD4504将信号幅度升至12V以驱动MOS功率管，控制RC电路充放电的切换，从而产生高压宽带窄脉冲驱动信号。图3超声波接收驱动电路超声波传感器在处于谐振状态时呈容性[6]，为保证驱动信号的功率传输效率，由电感器L1电容器C1组成电容-电感式匹配回路[7]来实现超声波传感器阻抗匹配。在FPGA的控制下，模拟开关S1和电阻器R2组成拖尾消去回路，以减弱在FPGA驱动信号停止后，谐振回路由于存在的余振而造成的拖尾效应，从而提高了后续相关运算函数曲线的锐化程度，保证风速和风向测量精度。接收电路通过稳压二极管的开关特性来控制超声波传感器的接收和发射的切换，然后，将接收到的信号通过前端电路的放大、滤波处理后再进行采样送入FPGA进行数据处理。2.4系统时序控制图4为系统时序控制图，时序控制由FPGA协处理器来完成，主要包括脉冲发射、拖尾消除、采样起止控制、通道选择、中断申请。超声波传感器发射的宽带窄脉冲频率为300khz，占空比为10%，脉冲数为10，发射结束后闭合拖尾消除开关，闭合33.33us。超声波信号经空气传输，前端处理后进行采样，采样时间为144.23us，采样频率为3MHZ，采样点数为433，当FPGA完成采样数据读完后，则向DSP发送中断请求，将数据送入DSP中进行处理。之后，依次开启其他通道，重复以上相同工作。图4系统时序控制3实验实验采用高性能风扇来产生稳定实验气流，利用WS425风测量仪作为校准仪进行风速值标定，该测量仪风速测量精度为0.1m/s。此次实验分别在风速近似为0，0.5，1，2，4，6m/s条件下进行，每种风速条件下测量10组数据，实验结果如图5所示。图5风速与风向测量结果从图5（a）可以看出：本测风仪风速测量值和校准数据基本吻合，在0-5m/s的风速范围内，测量误差控制在+_0.15之内。从图5（b）可以看出：当风速接近0m/s时测量的水平风向在-180°～180°之间呈随机分布，这是当风速值过低时，因噪声的影响，使得风速在各个坐标轴的分量成随机分布造成的。当风速增大后，水平方向角测量值逐渐接近真实值。4结论高精度超声波测风仪以时差法测量为基本原理，通过采用互相关时延估计法高精度时延检测；选取高性能超声波传感器；采用DSP+FPGA处理器架构等一系列合理设计，使得整个系统风速测量精度达到+-0.15m/s,风向测量精度达到+-2%，已经初步具备检测机场低空风场气象情况的能力。整个系统测量精度高，成本低，可以为民航的安全运输提供准确的气象信息。参考文献：[1]俞飞，姬鸿丽。低空风切换的分析与预报[J],四川气象，2001（3）：18-19.[2]LiYing,WaBaoqiang.Time-differenceultrassonicwinddetectionmethodsbasedoncrosscorelationtheory[C]//theenglishinternationalconferenceonelectronicmeasurementandinstruments,2007:165-168[3]程小畅。超声波回波信号解调及其包络相关时延估计算法[J].传感技术学报，2006（6）：2571-2573.[4]唐娟。不同环境下的时延估计算法及其仿真研究[D]。南京：南京信息工程大学，2