声参量阵风速测量系统设计

摘要

风速的准确测量在众多场合有着重要的意义。为获得准确的风速，风速测量方法也一直在发展。风速的测量方法经历了机械式、热线式、声波式等测量方法，现在比较常用的风速测量方法为超声波风速测量方法。但是由于超声波频率过高，在空气中传播距离短，导致其无法测量大空间范围内的风速。通过声参量阵系统可以产生高指向的低频声，声波能够传播较远的距离，声场特性分布明显，利用这些特性可以把声参量阵技术应用到大空间范围的风速测量中。因此本文提出新的方法对风场进行模拟，并基于模拟风场对声场进行仿真,创新性地结合了相位差法和声参量阵技术来建立三角形测量模型，基于模型设计了声参量阵风速测量系统。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了声参量阵技术理论，通过研究声参量阵声场的非线性特性，对声参量阵声场进行仿真，着重分析了差频信号的声场分布，并与超声波声场进行仿真对比分析，通过理论研究与仿真分析验证了采用声参量阵技术测风速的可行性。⑵提出采用向量自回归（AR）模型与小波分解法相结合的方法对风场进行仿真模拟。基于风场对超声波声场和声参量阵声场进行仿真研究，经仿真发现声场会沿着风场方向进行偏移，从而验证了采用声参量阵声场测风速的可行性。⑶建立了基于相位差的风速测量模型，根据建立的风速测量模型理论推导得出风速的大小和风向的计算公式。然后通过仿真对比分析了声参量阵的各种预处理算法，指出全载波SSB调制算法所需带宽是DSB调制算法的一半，而且全载波SSB调制算法可以节省功率，在单频输入时无失真，通过仿真对比分析选择了全载波SSB调制算法作为本文的信号处理算法。⑷设计了系统的软硬件实验平台，通过信号收发测试验证理论研究与仿真的正确性，开发了基于相位差的声参量阵风速测量系统，并对系统进行了测试及误差分析,系统测试结果表明：声参量阵风速测量系统可以准确地测量风速，可实现大空间范围的风速测量。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的、内容及意义

1.4 论文章节安排

第二章 声参量阵风速测量理论基础研究

2.1 声参量阵理论基础研究

2.2 声参量阵声场与超声波声场对比分析

2.3 本章小结

第三章 风场的模拟仿真与模拟风场下的声场分析

3.1 风场的模拟仿真

3.2 基于模拟风场的声场分析

3.3 本章小结

第四章 声参量阵风速测量系统算法研究

4.1 声参量阵风速测量模型方案研究

4.2 风速风向合成算法

4.3 声参量阵信号处理算法研究

4.4 本章小结

第五章 声参量阵风速测量系统实现

5.1 系统整体设计

5.2 系统硬件设计

5.3 系统软件设计

5.4 本章小结

第六章 声参量阵风速测量系统实验测试与结果分析

6.1 声参量阵测风系统测试环境搭建

6.2 声参量阵测风系统实验测试与分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果