超聲波時差法的三維矢量風(fēng)測量系

鄧云逸，姚振東，劉凱，邱玲，皮波

(成都信息工程大學(xué) 中國氣象局大氣探測重點開放實驗室, 成都 610225)

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鄧云逸，姚振東，劉凱，邱玲，皮波

(成都信息工程大學(xué) 中國氣象局大氣探測重點開放實驗室, 成都 610225)

超聲波測量水平風(fēng)的技術(shù)已經(jīng)在地面氣象觀測業(yè)務(wù)中應(yīng)用多年，效果很好。將這種技術(shù)稍加變通，將測量的平面三角形結(jié)構(gòu)變成正四面體結(jié)構(gòu)的不相交兩邊，使之形成具有三維測量能力的特殊結(jié)構(gòu)。采用步進頻率測量技術(shù)，將發(fā)射的100 kHz頻段的超聲波進行擴頻調(diào)制，通過相關(guān)接收后獲得脈沖壓縮，兼顧了較低峰值發(fā)射功率的接收靈敏度問題，以及超聲波脈寬造成的時間測量精度問題，還具有一定的抗干擾能力。仿真和實驗室初步實驗結(jié)果證實了這種方法的可行性。

三維矢量風(fēng)；超聲波換能器;時差法;正四面體結(jié)構(gòu)

引　言

矢量風(fēng)(風(fēng)向和風(fēng)速)是氣象觀測中的關(guān)鍵要素。傳統(tǒng)測風(fēng)系統(tǒng)因為靈敏度、飽和度以及運動慣性等原因，在風(fēng)的測量中存在較大的動態(tài)誤差[1]。

垂直氣流對天氣、交通運輸、建筑施工、甚至工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等均會產(chǎn)生影響，因此三維矢量風(fēng)的測量在專業(yè)氣象服務(wù)中具有重要意義。利用超聲波測風(fēng)技術(shù)進行三維矢量風(fēng)的測量技術(shù)及觀測方法的研究，是氣象觀測研究中的重要工作。

1　超聲波三維風(fēng)測量原理

1.1超聲波測風(fēng)原理

本文采用延時估計法來測量風(fēng)的速度。在傳播工程中超聲波受到順逆風(fēng)的影響，速度發(fā)生改變，通過測量一定距離上超聲波順逆的傳播時間可計算出風(fēng)速。令位于A、B兩點的超聲波探頭距離為L，A到B為正方向(B到A為負方向)，在無風(fēng)時超聲波的傳播速度為C，AB方向上風(fēng)速為V(V為正數(shù)表示沿AB方向傳播)。

超聲波換能器可以把輸入的電能轉(zhuǎn)化為機械能(即超聲波)再傳遞出去，同時也能將機械能轉(zhuǎn)化為電能，它具有發(fā)射與接收的功能。當(dāng)超聲波換能器由A向B發(fā)射時(A為發(fā)射探頭、B為接收探頭)，超聲波傳播為順風(fēng)方向。超聲波順風(fēng)、逆風(fēng)傳播如圖1所示。

圖1　超聲波順風(fēng)傳播

可以得到以下關(guān)系式：

當(dāng)超聲波換能器由B向A發(fā)射時(A為接收探頭、B為發(fā)射探頭)，超聲波傳播為逆風(fēng)方向,超聲波逆風(fēng)傳播如圖2所示。

圖2　超聲波逆風(fēng)傳播

可以得到以下關(guān)系式：

將以上兩式相減，可以得到風(fēng)速為：

(1)

當(dāng)V為正值表示風(fēng)向由A向B，V為負值表示風(fēng)向由B向A。

1.2三維風(fēng)的測量

三維風(fēng)測量是指測量出水平風(fēng)速和風(fēng)向與垂直風(fēng)速和風(fēng)向。常用的超聲波水平風(fēng)測風(fēng)儀為四探頭，三維風(fēng)測量為六探頭。考慮到系統(tǒng)的風(fēng)速與風(fēng)向計算的簡便性，系統(tǒng)采用四探頭構(gòu)成正四面體結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，垂直風(fēng)速與水平風(fēng)速分量由一對超聲波探頭測量出的風(fēng)速分解而成，與六探頭三維測風(fēng)儀相比，存在誤差較大。為了提高測量的準確度，在順(逆)風(fēng)測量時間上采用步進頻率擴頻法，提高測量精度。本系統(tǒng)采用了四探頭正四面體排列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三維測風(fēng)，即只需要4個探頭便可以測量出X、Y、Z軸上的風(fēng)速，這比常用的六探頭三維測風(fēng)節(jié)約成本。

如圖3所示，ABCD為一個正四面體，O為ΔABC的中心。

從O點作垂線垂直BD，令這條垂線為Y軸，OZ為Z軸，OD為X軸。將4個超聲波探頭分別放置在正四面體的4個頂點A、B、C、D上。A、B與C、D為兩組測風(fēng)探頭，分別測量AB與CD軸上的風(fēng)速。設(shè)Vx、Vy、Vz為X、Y、Z軸上的風(fēng)速，VAB、VCD為AB、CD軸上的風(fēng)速，令正四面體的邊長為L。

圖3　超聲波探頭正四面體排列結(jié)構(gòu)

因為O為ΔABC的中心，可得：

由上式可得：

(2)

再由：

可得：

(3)

(4)

由上述幾個公式可知：只需測量出AB與CD軸上的風(fēng)速，便可以算出X、Y、Z方向的風(fēng)速。當(dāng)AB兩個探頭相互發(fā)射接收時，測量出順逆風(fēng)時間T1、T2,再代入式(1)計算出AB方向上的風(fēng)速與風(fēng)向，同理可以得出CD方向上的風(fēng)速與風(fēng)向，再由式(2)～(4)得出X、Y、Z方向的風(fēng)速。水平矢量風(fēng)可由X與Y軸方向上的風(fēng)速合成，垂直風(fēng)等于Z軸風(fēng)速。這種正四面體結(jié)構(gòu)簡化了硬件電路，節(jié)約了資源和成本。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主控電路芯片采用TI公司的微控制器MSP430F149，由激勵信號產(chǎn)生電路、收發(fā)轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等組成。MSP430F149產(chǎn)生PWM波，通過收發(fā)轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動超聲波探頭工作。當(dāng)接收探頭收到聲波信號后，經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換，將采集的數(shù)據(jù)傳入MSP430F149中。最后，數(shù)據(jù)經(jīng)MSP430F149處理后，計算出風(fēng)速與風(fēng)向，將信息在液晶顯示器上顯示出來。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　超聲波測風(fēng)硬件系統(tǒng)框圖

2.1收發(fā)轉(zhuǎn)換電路

收發(fā)轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，采用了ADI公司生產(chǎn)的ADG813，它包括4個獨立可選開關(guān)。其中獨立可選開關(guān)1、4的接通(S1和D1導(dǎo)通，S4和D4導(dǎo)通)條件是相關(guān)控制輸入為邏輯高電平，單刀單擲開關(guān)2、3的接通條件是相關(guān)控制輸入為邏輯低電平。Prob1、Prob2、Prob3、Prob4分別對應(yīng)A、C、B、D(ABCD為上文的正四面體)4個超聲波探頭。當(dāng)MSP430F149控制Cont輸入高電平，Cont1輸入低電平時，U4芯片的開關(guān)1、4導(dǎo)通，產(chǎn)生的PWM波從Tran1、Tran2輸入，驅(qū)動超聲波探頭A、C。與此同時，由于Cont1輸入低電平，U3芯片的開關(guān)2、3導(dǎo)通，當(dāng)B、D探頭分別接收到A、C的聲波信號時，信號通過Rece3、Rece4傳入后端整形電路。反之，當(dāng)Cont輸入低電平、Cont1輸入高電平時，B、D為發(fā)射探頭，A、C為接收探頭。

圖5　收發(fā)轉(zhuǎn)換電路

2.2濾波電路

由于超聲波探頭接收到的信號只有2～3 mV，所以需要前置放大電路將接收到的信號進行放大，在放大的同時將其他部分的干擾信號濾除掉。放大電路提高了信噪比，為后級濾波電路打下了更好的基礎(chǔ)。

接收信號濾波電路要考慮中心頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)等，帶寬設(shè)置為20 kHz，中心頻率為200 kHz，帶寬增益平坦度為1 dB。濾波器可以設(shè)計成帶有增益型的，后級就可以減小放大倍數(shù)，所以本系統(tǒng)應(yīng)用的濾波器設(shè)計成自帶增益型的，濾波出來信號仍然較小，后級需要加上放大電路。濾波電路選用的是TI公司的OPA2830芯片，采用正5 V電源供電。接收端濾波電路如圖6所示。

圖6　濾波電路原理圖

2.3A/D采集電路

MSP430F149內(nèi)部具有多個A/D轉(zhuǎn)換器，通過設(shè)置MCLK和SMCKL可以改變A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，但是MSP430F149內(nèi)部A/D不能同時對4路數(shù)據(jù)進行采樣。為了達到高精確的測量要求，系統(tǒng)采用TI公司的ADS7864。這是一個6通道同時采樣的12位A/D轉(zhuǎn)換器，它能以500 kHz的采樣率對6通道同時進行采樣。它的量化級共分4 096個，最大參考電壓與最小參考電壓相差4 V，量化單元達到了mV，精度滿足了系統(tǒng)的要求。通過控制HOLDA、HOLDB、HOLDC的輸入電平控制A、B、C三個A/D轉(zhuǎn)換器工作。D0～D15為16位輸出數(shù)據(jù)線，其中D15表示數(shù)據(jù)有效位，D12～D14表示輸出數(shù)據(jù)通道，D0～D11表示12位數(shù)據(jù)輸出。A0、A1、A2表示選擇輸出數(shù)據(jù)模式，A0、A1、A2接高電平，選擇讀數(shù)模式為FIFO，即先轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)先讀。A/D采集電路略——編者注。

2.4液晶顯示

液晶顯示主要負責(zé)顯示系統(tǒng)測量的風(fēng)速與風(fēng)向。LCD與數(shù)碼管顯示相比，具有較高的分辨率，不僅能顯示數(shù)字和字母，還能顯示文字、圖形、圖像等。與數(shù)碼管相比，Nokia5110占用的芯片的引腳資源較少，所以很大程度上節(jié)約了芯片I/O口資源。

Nokia5110由84×48 的點陣組成，可以顯示15個漢字或30個字符，與同類的LCD相比有較高的性價比。該芯片模塊體積小，集成了驅(qū)動芯片，僅需4根I/O線即可驅(qū)動芯片工作。單片機的4個I/O口與芯片CE(片選線)、D/C(讀寫選擇線)、DIN(串行數(shù)據(jù)線)、CLK(串行時鐘線)連接時需要串連一個100 Ω的限流電阻。芯片由3 V電源供電，工作電路在200 μA 以下。液晶實物圖略——編者注。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括PWM波產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的采集與處理、數(shù)據(jù)的顯示、串口通信、按鍵模塊等。系統(tǒng)軟件調(diào)試環(huán)境為IAR5.2，采用C語言進行編程開發(fā)。首先主程序?qū)r鐘、定時器、各個I/O口進行初始化。當(dāng)MSP430F149檢測到測風(fēng)按鍵響應(yīng)時，輸出200 kHz的PWM波驅(qū)動超聲波探頭工作。當(dāng)采集到聲波信號后，把發(fā)生信號與接收信號作互相關(guān)運算，并檢測相關(guān)函數(shù)峰值算出順逆風(fēng)時間T1、T2。最后，通過順逆風(fēng)時間算AB與CD方向上風(fēng)速并轉(zhuǎn)化為矢量風(fēng)，將風(fēng)速與風(fēng)向在液晶屏上顯示出來，或通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機中保存，以便今后查詢與處理。軟件流程如圖7所示。

4　超聲波測風(fēng)系統(tǒng)建模仿真

圖7　軟件流程圖

本文仿真采用互相關(guān)算法計算出順逆風(fēng)傳播的時間，將接收信號與發(fā)射信號作互相關(guān)運算，檢測出互相關(guān)函數(shù)的最大值及對應(yīng)的時間T，可算出順(逆)風(fēng)傳播的延遲時間?？刂茊纹瑱C產(chǎn)生兩組脈寬不同的方波，驅(qū)動超聲波探頭產(chǎn)生發(fā)射信號。接收信號可以建模表示為有起伏包絡(luò)的正弦調(diào)制信號。接收與發(fā)射信號波形如圖8所示。

圖8　發(fā)射信號與接收信號波形圖

因為聲波在傳播過程中會受到風(fēng)的影響，接收到的信號會產(chǎn)生頻移。對接收信號與發(fā)射信號作互相關(guān)運算，再檢測出函數(shù)的峰值即可計算出順(逆)風(fēng)的延遲時間。互相關(guān)算法處理結(jié)果圖如圖9所示。

圖9　互相關(guān)算法處理結(jié)果圖

結(jié)　語

風(fēng)作為重要的氣象要素，影響著農(nóng)業(yè)、航空、氣象等各個領(lǐng)域，因此，矢量風(fēng)的測量有著至關(guān)重要的意義。傳統(tǒng)的機械測風(fēng)儀有較大的系統(tǒng)偏差，而超聲波測風(fēng)儀能準確地對風(fēng)速與風(fēng)向進行時時測量。

本文采用時差法和MSP430F149單片機芯片，設(shè)計出超聲波三維測風(fēng)系統(tǒng)。在探頭排列模型上采用了正四面體的新型結(jié)果，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，節(jié)省了資源。系統(tǒng)實現(xiàn)了用200 kHz方波驅(qū)動超聲波探頭，對接收到的信號進行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換并計算出風(fēng)速與風(fēng)向。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，硬件模塊包括電源模塊、濾波模塊、放大模塊等。這種設(shè)計思路降低了設(shè)計的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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鄧云逸(碩士研究生),主要研究方向為信息處理和信號處理。

Deng Yunyi,Yao Zhendong,Liu Kai,Qiu Ling,Pi Bo

(CMA. Key Laboratory of Atmospheric Sounding,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

Ultrasonic level wind measurement technology has been used in the meteorological observation business for many years,which achieves good effects.The flat triangular configuration will be transformed into the tetrahedron structure,and then it forms a special structure with three-dimensional measurement capability.The design uses stepping frequency measurement technology to emit the ultrasonic frequency of 100 kHz to spread spectrum modulation.After receiving the data,the design obtaines the pulse compression,it has solved the following two problems:the lower peak transmit power's receiver sensitivity and the measuring time accuracy causing by the ultrasonic pulse.It also has the anti-jamming capability.The feasibility of this method is confirmed by the simulation and laboratory experiments.

three-dimensional vector wind;ultrasonic transducer;time difference method;tetrahedron structure

TH765

A

(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-10-16)