基于声参量阵的风速测试系统关键技术研究

摘要

风在当今科技飞速发展进步的时代，已不仅仅是一种自然现象，作为清洁的可再生能源，风能越来越受到全世界的重视。无论在科学研究中，还是在工业生产中，风速测量都有大量的应用，尤其在气象领域和风力发电领域，风速测量有着更为重要的应用价值。风速风向仪种类繁多，测量原理也不尽相同。目前较先进的是超声波风速测试技术，虽然克服了传统测量方法的缺点，但无法实现大空间范围内的风速测试，限制了风的应用范围。针对声参量阵可以产生独特的高指向性低频声波，并能将其传播到很远距离的特性，本文提出利用时差法测量原理建立声参量阵风速测试系统，开发出一种新的风速测试方法，实现远距离、大空间范围内的风速测试。
　　首先，本文对声参量阵的工作原理进行了详细的阐述，对其在空气中的指向性进行MATLAB仿真分析，以此给出用声参量阵进行风速测试的理论依据和可行性；对声参量阵和超声波在空气中的传播情况进行比较分析，以此验证声参量阵测风速方法可实现大空间范围内的风速测试；对时差法的测量原理进行详细的讲解，以此得出影响风速测试精度的关键因素。
　　其次，本文对几种互相关时延估计算法进行MATLAB仿真分析，通过对仿真结果的分析比较，选取测试精度最高的算法。为了获得较为理想的声参量阵信号进而提高风速测试系统的测量精度，对几种声参量阵预处理算法对风速测量精度的影响进行MATLAB仿真研究。
　　然后，本文对整个系统的测风探头模块进行设计，其功能是发射和接收声参量阵信号，利用接收到的音频信号中携带的风速信息实现风速风向测量。测风探头由声参量阵发射阵列和音频信号接收阵列两部分集合而成，发射阵列由超声波换能器实现，接收阵列由传声器实现。
　　最后，本文根据理论和仿真结果分析，分别对系统的硬件电路实现和软件实现进行了详细设计，利用DSP芯片BF533和STM32芯片完成整个基于声参量阵的风速测试系统的设计与实现。在DSP平台上实现声参量阵的调制算法和时延估计算法，计算风速风向，在STM32平台上实现测量数据的LCD显示。同时搭建相关的实验测试平台，对系统进行调试和改进。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与研究现状

1.2 研究意义、目的及内容

1.3 本文的内容安排

第二章 声参量阵风速测试技术理论基础

2.1 声参量阵理论

2.2 时差法风速测量的基本原理

2.3 本章小结

第三章 声参量阵风速测量算法研究

3.1 时延估计算法仿真分析

3.2 声参量阵预处理算法仿真分析

3.3 本章小结

第四章 声参量阵发射接收阵设计

4.1 声参量阵发射接收阵总体结构设计

4.2 声参量阵发射阵设计

4.3 声参量阵接收阵设计

4.4 声参量阵收发阵测试

4.5 本章小结

第五章 基于声参量阵的风速测试系统的设计及测试

5.1 系统的硬件设计

5.2 系统的软件设计

5.3 系统实验测试及误差分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献