超声波时差法的三维矢量风测量系

邓云逸，姚振东，刘凯，邱玲，皮波

(成都信息工程大学 中国气象局大气探测重点开放实验室, 成都 610225)



邓云逸，姚振东，刘凯，邱玲，皮波

(成都信息工程大学 中国气象局大气探测重点开放实验室, 成都 610225)

超声波测量水平风的技术已经在地面气象观测业务中应用多年，效果很好。将这种技术稍加变通，将测量的平面三角形结构变成正四面体结构的不相交两边，使之形成具有三维测量能力的特殊结构。采用步进频率测量技术，将发射的100 kHz频段的超声波进行扩频调制，通过相关接收后获得脉冲压缩，兼顾了较低峰值发射功率的接收灵敏度问题，以及超声波脉宽造成的时间测量精度问题，还具有一定的抗干扰能力。仿真和实验室初步实验结果证实了这种方法的可行性。

三维矢量风；超声波换能器;时差法;正四面体结构

引　言

矢量风(风向和风速)是气象观测中的关键要素。传统测风系统因为灵敏度、饱和度以及运动惯性等原因，在风的测量中存在较大的动态误差[1]。

垂直气流对天气、交通运输、建筑施工、甚至工农业生产等均会产生影响，因此三维矢量风的测量在专业气象服务中具有重要意义。利用超声波测风技术进行三维矢量风的测量技术及观测方法的研究，是气象观测研究中的重要工作。

1　超声波三维风测量原理

1.1超声波测风原理

本文采用延时估计法来测量风的速度。在传播工程中超声波受到顺逆风的影响，速度发生改变，通过测量一定距离上超声波顺逆的传播时间可计算出风速。令位于A、B两点的超声波探头距离为L，A到B为正方向(B到A为负方向)，在无风时超声波的传播速度为C，AB方向上风速为V(V为正数表示沿AB方向传播)。

超声波换能器可以把输入的电能转化为机械能(即超声波)再传递出去，同时也能将机械能转化为电能，它具有发射与接收的功能。当超声波换能器由A向B发射时(A为发射探头、B为接收探头)，超声波传播为顺风方向。超声波顺风、逆风传播如图1所示。

图1　超声波顺风传播

可以得到以下关系式：

当超声波换能器由B向A发射时(A为接收探头、B为发射探头)，超声波传播为逆风方向,超声波逆风传播如图2所示。

图2　超声波逆风传播

可以得到以下关系式：

将以上两式相减，可以得到风速为：

(1)

当V为正值表示风向由A向B，V为负值表示风向由B向A。

1.2三维风的测量

三维风测量是指测量出水平风速和风向与垂直风速和风向。常用的超声波水平风测风仪为四探头，三维风测量为六探头。考虑到系统的风速与风向计算的简便性，系统采用四探头构成正四面体结构。在此结构中，垂直风速与水平风速分量由一对超声波探头测量出的风速分解而成，与六探头三维测风仪相比，存在误差较大。为了提高测量的准确度，在顺(逆)风测量时间上采用步进频率扩频法，提高测量精度。本系统采用了四探头正四面体排列结构实现三维测风，即只需要4个探头便可以测量出X、Y、Z轴上的风速，这比常用的六探头三维测风节约成本。

如图3所示，ABCD为一个正四面体，O为ΔABC的中心。

从O点作垂线垂直BD，令这条垂线为Y轴，OZ为Z轴，OD为X轴。将4个超声波探头分别放置在正四面体的4个顶点A、B、C、D上。A、B与C、D为两组测风探头，分别测量AB与CD轴上的风速。设Vx、Vy、Vz为X、Y、Z轴上的风速，VAB、VCD为AB、CD轴上的风速，令正四面体的边长为L。

图3　超声波探头正四面体排列结构

因为O为ΔABC的中心，可得：

由上式可得：

(2)

再由：

可得：

(3)

(4)

由上述几个公式可知：只需测量出AB与CD轴上的风速，便可以算出X、Y、Z方向的风速。当AB两个探头相互发射接收时，测量出顺逆风时间T1、T2,再代入式(1)计算出AB方向上的风速与风向，同理可以得出CD方向上的风速与风向，再由式(2)～(4)得出X、Y、Z方向的风速。水平矢量风可由X与Y轴方向上的风速合成，垂直风等于Z轴风速。这种正四面体结构简化了硬件电路，节约了资源和成本。

2　系统硬件设计

系统主控电路芯片采用TI公司的微控制器MSP430F149，由激励信号产生电路、收发转换电路、放大电路、滤波电路、A/D转换电路等组成。MSP430F149产生PWM波，通过收发转换电路驱动超声波探头工作。当接收探头收到声波信号后，经过放大、滤波、A/D转换，将采集的数据传入MSP430F149中。最后，数据经MSP430F149处理后，计算出风速与风向，将信息在液晶显示器上显示出来。硬件系统结构框图如图4所示。

图4　超声波测风硬件系统框图

2.1收发转换电路

收发转换电路如图5所示，采用了ADI公司生产的ADG813，它包括4个独立可选开关。其中独立可选开关1、4的接通(S1和D1导通，S4和D4导通)条件是相关控制输入为逻辑高电平，单刀单掷开关2、3的接通条件是相关控制输入为逻辑低电平。Prob1、Prob2、Prob3、Prob4分别对应A、C、B、D(ABCD为上文的正四面体)4个超声波探头。当MSP430F149控制Cont输入高电平，Cont1输入低电平时，U4芯片的开关1、4导通，产生的PWM波从Tran1、Tran2输入，驱动超声波探头A、C。与此同时，由于Cont1输入低电平，U3芯片的开关2、3导通，当B、D探头分别接收到A、C的声波信号时，信号通过Rece3、Rece4传入后端整形电路。反之，当Cont输入低电平、Cont1输入高电平时，B、D为发射探头，A、C为接收探头。

图5　收发转换电路

2.2滤波电路

由于超声波探头接收到的信号只有2～3 mV，所以需要前置放大电路将接收到的信号进行放大，在放大的同时将其他部分的干扰信号滤除掉。放大电路提高了信噪比，为后级滤波电路打下了更好的基础。

接收信号滤波电路要考虑中心频率、带宽、品质因数等，带宽设置为20 kHz，中心频率为200 kHz，带宽增益平坦度为1 dB。滤波器可以设计成带有增益型的，后级就可以减小放大倍数，所以本系统应用的滤波器设计成自带增益型的，滤波出来信号仍然较小，后级需要加上放大电路。滤波电路选用的是TI公司的OPA2830芯片，采用正5 V电源供电。接收端滤波电路如图6所示。

图6　滤波电路原理图

2.3A/D采集电路

MSP430F149内部具有多个A/D转换器，通过设置MCLK和SMCKL可以改变A/D转换器的采样频率，但是MSP430F149内部A/D不能同时对4路数据进行采样。为了达到高精确的测量要求，系统采用TI公司的ADS7864。这是一个6通道同时采样的12位A/D转换器，它能以500 kHz的采样率对6通道同时进行采样。它的量化级共分4 096个，最大参考电压与最小参考电压相差4 V，量化单元达到了mV，精度满足了系统的要求。通过控制HOLDA、HOLDB、HOLDC的输入电平控制A、B、C三个A/D转换器工作。D0～D15为16位输出数据线，其中D15表示数据有效位，D12～D14表示输出数据通道，D0～D11表示12位数据输出。A0、A1、A2表示选择输出数据模式，A0、A1、A2接高电平，选择读数模式为FIFO，即先转换的数据先读。A/D采集电路略——编者注。

2.4液晶显示

液晶显示主要负责显示系统测量的风速与风向。LCD与数码管显示相比，具有较高的分辨率，不仅能显示数字和字母，还能显示文字、图形、图像等。与数码管相比，Nokia5110占用的芯片的引脚资源较少，所以很大程度上节约了芯片I/O口资源。

Nokia5110由84×48 的点阵组成，可以显示15个汉字或30个字符，与同类的LCD相比有较高的性价比。该芯片模块体积小，集成了驱动芯片，仅需4根I/O线即可驱动芯片工作。单片机的4个I/O口与芯片CE(片选线)、D/C(读写选择线)、DIN(串行数据线)、CLK(串行时钟线)连接时需要串连一个100 Ω的限流电阻。芯片由3 V电源供电，工作电路在200 μA 以下。液晶实物图略——编者注。

3　系统软件设计

系统软件主要包括PWM波产生、数据的采集与处理、数据的显示、串口通信、按键模块等。系统软件调试环境为IAR5.2，采用C语言进行编程开发。首先主程序对时钟、定时器、各个I/O口进行初始化。当MSP430F149检测到测风按键响应时，输出200 kHz的PWM波驱动超声波探头工作。当采集到声波信号后，把发生信号与接收信号作互相关运算，并检测相关函数峰值算出顺逆风时间T1、T2。最后，通过顺逆风时间算AB与CD方向上风速并转化为矢量风，将风速与风向在液晶屏上显示出来，或通过串口将数据发送至上位机中保存，以便今后查询与处理。软件流程如图7所示。

4　超声波测风系统建模仿真

图7　软件流程图

本文仿真采用互相关算法计算出顺逆风传播的时间，将接收信号与发射信号作互相关运算，检测出互相关函数的最大值及对应的时间T，可算出顺(逆)风传播的延迟时间。控制单片机产生两组脉宽不同的方波，驱动超声波探头产生发射信号。接收信号可以建模表示为有起伏包络的正弦调制信号。接收与发射信号波形如图8所示。

图8　发射信号与接收信号波形图

因为声波在传播过程中会受到风的影响，接收到的信号会产生频移。对接收信号与发射信号作互相关运算，再检测出函数的峰值即可计算出顺(逆)风的延迟时间。互相关算法处理结果图如图9所示。

图9　互相关算法处理结果图

结　语

风作为重要的气象要素，影响着农业、航空、气象等各个领域，因此，矢量风的测量有着至关重要的意义。传统的机械测风仪有较大的系统偏差，而超声波测风仪能准确地对风速与风向进行时时测量。

本文采用时差法和MSP430F149单片机芯片，设计出超声波三维测风系统。在探头排列模型上采用了正四面体的新型结果，大大简化了系统设计的复杂性，节省了资源。系统实现了用200 kHz方波驱动超声波探头，对接收到的信号进行放大、滤波、A/D转换并计算出风速与风向。系统采用模块化设计，硬件模块包括电源模块、滤波模块、放大模块等。这种设计思路降低了设计的复杂度，提高了系统的可靠性。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

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邓云逸(硕士研究生),主要研究方向为信息处理和信号处理。

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

(责任编辑：杨迪娜2015-10-16)