發(fā)布時間：2020-11-18 19:41

　　 風(fēng)是一種由許多在時空上隨機變化的小尺度脈動疊加,在大尺度規(guī)則氣流上的一種三維矢量。三維風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向測量在很多領(lǐng)域的信息積累和決策判斷方面都有重要作用,比如對機場低空風(fēng)切變的檢測,來避免空難的發(fā)生;在航海中的風(fēng)帆助力船通過調(diào)整風(fēng)帆使之處于最佳迎風(fēng)角度,并借助風(fēng)能產(chǎn)生最大助推力來使橫向力最小,從而提高船只航行的穩(wěn)定性;在風(fēng)力發(fā)電方面,可以根據(jù)風(fēng)場中空間三維風(fēng)參數(shù)的確定,來調(diào)整風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu),使之處于最佳迎風(fēng)角度,以此提高風(fēng)力發(fā)電效率;而軍事方面導(dǎo)彈彈道的偏移,科學(xué)實驗方面風(fēng)洞中風(fēng)參數(shù)的偏差都需要借助三維風(fēng)參數(shù)的確定來進行調(diào)整。目前市場上現(xiàn)有的測風(fēng)儀主要有機械式測風(fēng)儀,熱敏式測風(fēng)儀,激光多普勒測風(fēng)儀,超聲波測風(fēng)儀等,但這也只能測量出二維平面上的風(fēng)參數(shù)信息,并不能對三維風(fēng)參數(shù)信息進行完整的描述。根據(jù)現(xiàn)有的公開資料表明,在國內(nèi)外,對超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量的設(shè)計研究工作已經(jīng)取得了比較大的發(fā)展及應(yīng)用,但相對于三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向測量的應(yīng)用優(yōu)勢及市場需求的增加而言,相關(guān)的設(shè)計研究工作相對于二維平面風(fēng)參數(shù)測量的研究依然進行的較少。波束成形算法是陣列信號處理理論中的一種典型算法,其算法計算量較小,實時性高在空域濾波及抑制噪聲方面有很大的優(yōu)越性。本文將利用波束成形算法的理論優(yōu)勢,將其應(yīng)用到三維風(fēng)參數(shù)測量領(lǐng)域中,以此來提高三維空間中風(fēng)速風(fēng)向的測量精度,并為三維風(fēng)參數(shù)的測量方法提供一種新思路。本文的主要工作內(nèi)容如下:(1)本文設(shè)計了一種三維半球形超聲波傳感器陣列結(jié)構(gòu),建立了風(fēng)場環(huán)境中各接收陣元所接收超聲波信號的數(shù)學(xué)模型,并推導(dǎo)了其陣列流型矢量,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合了陣列信號處理中典型的波束成形算法,通過譜峰搜索及三維空間矢量的分解與合成進行了空間中三維風(fēng)速值、風(fēng)向角及俯仰角的測量。(2)對基于波束成形原理的三維風(fēng)速風(fēng)向測量方法的相關(guān)原理及測量性能和所遇到的相關(guān)問題展開分析和討論:對所設(shè)計的超聲波傳感器陣列進行陣列流型矢量推導(dǎo),并將其擴展到隨機陣列;通過映射陣元位置的變化,深入解釋了風(fēng)參數(shù)對波束指向的影響;通過仿真實驗,對比分析了不同準(zhǔn)則下的波束成形和常規(guī)波束成形算法下的風(fēng)速風(fēng)向測量方法的可行性及相關(guān)性能;(3)通過搭建硬件實驗平臺對本文所提三維風(fēng)參數(shù)測量方法進行可行性及工程可實現(xiàn)性驗證:首先詳細描述了所搭建實驗平臺的整體框架及各組成部分,并對實驗風(fēng)洞進行風(fēng)洞性能測試;然后利用基于協(xié)方差矩陣的幅相誤差校正方法對實驗平臺進行數(shù)據(jù)預(yù)處理;最后對硬件平臺所測量結(jié)果進行了誤差分析和討論,并驗證了本文所提方法的可行性及工程可實現(xiàn)性。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：V321.2
【部分圖文】：

第1章緒論4測量方法也應(yīng)運而生。圖1.1時差法測風(fēng)原理圖2006年，一種新的估計超聲波度越時間（TOF）的數(shù)字信號處理方法被提出[43]，通過對所接收的超聲波信號進行離散擴展卡爾曼濾波處理，來提高回波包絡(luò)的形狀因數(shù)，并定位發(fā)射信號的信源位置，該方法能在低信噪比和回波形狀嚴重失真的情況下，減少TOF的測量偏差和不確定度。2011年，基于超聲波度越時間測量系統(tǒng)的應(yīng)用，通過雙頻率的尖峰序列時間的不同而做的研究[44]，證明了開發(fā)合適參數(shù)實現(xiàn)的過程，研究了尖峰時間序列的瞬態(tài)行為關(guān)鍵特性，并推導(dǎo)了在系統(tǒng)過程中的抗干擾數(shù)據(jù)處理措施，通過重復(fù)的數(shù)據(jù)測試和線性回歸，有效的解釋了第一波前的高精度的度越時間。該文獻通過度越時間的精確獲取，直接有效的提高了基于時差法的超聲測風(fēng)的測量精度。2016年有文獻[45]指出，在使用足夠高的采樣頻率和較高性能的數(shù)字信號處理器的情況下，傳統(tǒng)的全數(shù)字處理方法，可以利用全數(shù)字波形，使之在較高信噪比的條件下具有高測量精度，但該測量精度往往會受到硬件性能的嚴重限制，并且很容易受到噪聲和信號失真的影響。而模擬過零檢測法可以與硬件匹配進而達到很高的分辨率，但是它的精度容易受到檢測閾值，接收信號的基準(zhǔn)漂移，和噪聲的影響。因此該文獻中提出了一種數(shù)字式的過零檢測算法來進行超聲波流量的測量，且在硬件平臺花費少，采樣頻率和計算量都較低的情況下，達到高測量精度高和測量性能穩(wěn)定的測量效果。除了超聲測風(fēng)技術(shù)方面的研究與發(fā)展，也有不少學(xué)者開始將超聲測風(fēng)儀的結(jié)構(gòu)作為研究對象。2017年，法國學(xué)者GiancarloMichelino等人討論分析了結(jié)構(gòu)對超聲測風(fēng)精度的影響，并提出了一種幾何結(jié)構(gòu)非正交的超聲測風(fēng)儀，如圖1.2所示，能進行高強度的三維風(fēng)參數(shù)測量，結(jié)果表明非正交排列的陣

非正交超聲測風(fēng)結(jié)構(gòu)

第1章緒論5原理的風(fēng)參數(shù)測量結(jié)果[46]。2016年，美國林業(yè)局研究站的JohnM.Frank等人在文獻[47]中對現(xiàn)場試驗中超聲測風(fēng)儀收集的試驗數(shù)據(jù)引入了貝葉斯分析，并通過安裝在水平和垂直方向上的風(fēng)速計之間的差異來解決三維風(fēng)參數(shù)校正問題,如圖1.3所示。該文所研究的基礎(chǔ)是兩個只能測量平面風(fēng)的測風(fēng)儀協(xié)同工作，將其分別進行垂直和水平方向的安裝，然后聯(lián)合兩個測風(fēng)儀分別所測結(jié)果便能知道空間中的三維風(fēng)參數(shù)。但這也要求對測風(fēng)儀有嚴格的安裝規(guī)格。目前，較高精度的超聲波測風(fēng)儀已經(jīng)研制成功并開始實現(xiàn)商品化，比如英國的GILL公司[48]、美國的CSI公司[49]等，這些公司的三維風(fēng)參數(shù)測量范圍和測量精度方面都達到了世界領(lǐng)先水平，市場占有率也十分高，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在氣象、航空、航海等領(lǐng)域投入使用。圖1.2非正交超聲測風(fēng)結(jié)構(gòu)圖1.3測風(fēng)儀安裝結(jié)構(gòu)1.3波束成形技術(shù)研究現(xiàn)狀波束成形技術(shù)是智能天線研究中的核心內(nèi)容，最早可以追溯到20世紀(jì)40年代[50]。依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，波束成形算法可以分為許多種類。若依據(jù)基于對象的不同，波束成形算法可以分為基于方向估計[51]、基于訓(xùn)練信號或者參考信號[52]、基于信號結(jié)構(gòu)[53]的波束成形方法。還可以根據(jù)是否需要發(fā)射參考信號，將波束成形算法分為非盲算法[54]和盲算法[55]。波束成形算法的分類如圖1.4所示。波束成形技術(shù)是陣列信號處理理論中的一種典型算法，也是陣列信號處理的標(biāo)志之一，廣泛應(yīng)用在超聲成像[56]、雷達[57]、衛(wèi)星[58]、聲吶[59]等領(lǐng)域，該技術(shù)的實質(zhì)是對各陣元所接收信號進行加權(quán)系數(shù)的處理，使之可以達到同相相加的目的，并在算法層面，達到增強期望信號，抑制干擾的目的，在物理意義上，可以理解
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