基于时差法的超声波测风系统的研究

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风速和风向在军事领域 中是精确定位作战目标的重要因素。在军事演练或实战过程中，需要随时测出相对于武器装备如火箭炮等作战武器的风速、风向值，以修正气流压差的影响，确定最佳射击方向角，从而进-步提高命中率和射击精度。

在风速 、风向的检测方法中，由于传统机械式风速仪 的测量部分是旋转部件 ，通过叶轮的转数或叶轮转 动的角速度转化为电信号，从而计算出风速 ]。由于机械部件在强风和长期暴露于室外 的工作环境下容易磨损 ，因此机械式测风仪的应用范围有限，测量精度不高 ，使用条件受到制约￠绍了-种超声波风速风 向测量系统 ，该系统的主要功能是是实现对风速和风向的快速测量 。提高测量精度，扩本 文于 2Ol2年 8月 收到。

大测量范围，延长使用寿命，同时实现对瞬时风速、风向的测量。

1 超声波测量原理声音在空气中的传播速度与空气温度、湿度 、密度 、气压 以及空气流速等因素有关 ，-般情况下除空气流速变化外 ，其他因素在短时间内基本保持稳定 。因而只要测量 出某-方向上声音来回传播的时间，就可以求出相应的风速。

在实际应用 中，选用两对超声波收发-体换能器成 90。布置，相对距离保证不变，以固定频率来发射超声波 ，测量两个相对方向上的超声波到达时间 ，由此可以得到顺风和逆风两个方向上的超声波传播速度，最终经过软件换算即可得到风速和风向值。

目前对于超声波风速风向的测量较为常用的方法是采· 31 ·第35卷 电 子 测 量 技 术用时差法 ]。假设超声波在空气 中传播距离为 L，顺风和逆风传播时间分别为 AB和f且A，在无风时的传播速度 C，由于超声波在顺风和逆风传播时会存在-个 时间差，这个时间差与待测风速具有线性关系，如式(1)所示 。

- (c- )× m (1)lL： (CV)×由式(1)可得某-方向上的风速为 ：V- L 1- 1)假设实际测量风速为 ，其在 轴和Y轴上投影的分速度分别为 和 ，三者之间的关系为：系统的硬件电路主要 由 5个部分组成 ，分别为超声波拈、超声波发射电路、超声波接收电路、控制计算拈和输出拈。

超声波拈I因：I口 - 口 . 。 (2) 2. 1 超声波拈可得实际风速 、风 向分别为 ：-L。

1～ ～1)z(1 - ) (3)f -士f0-arccosO- 兰竺竺 √(去- ) ( -去)2 硬件设计风速的测量是通过-对传感器接收超声波信号的时间差来实现的，因此，对于时间的测量精度要求非常高，它直接决定 了风速测量的精度。和早期的超声波风速风 向测量方法相 比，随着现代数字信号处理技术的发展，采用数字化超声波风速风向测量的处理方法能进-步提高系统的测量精度和抗干扰能力Ism3。为了保证测量时差的精度，微控制器的处理速度的选择是-个关键点。经过多次实验比较后，选用 MSP430系列单片机作为系统核心，通过软件编程实现对超声波发射和接收控制 以及数据 的分析处理和显示。MSP430系列单片机不仅具有 16位高效的微处理器，还具有丰富的、功能强大的外围电路资源 ，它除了具备很好的数字/模拟信号处理能力外，还具备了极低功耗的特点，可被广泛应用于要求低功耗 、高性能、便携式的设备上。

· 32 ·图 1 系统硬件设计超声波拈主要是用来发射和接收超声波信号，电路实现上采用 了收发-体的超声波换能器来实现。超声波模块在中央处理器 的控制下 ，在不同时刻 ，既可 以驱动探头发射超声波信号 ，又可以接收探头收到的超声波信号，发射接收互不影响，可以很好地进行隔离。4个换 能器分时工作，每个换能器的发射时间

在系统实现中，对每个换能器进行单独的匹配和接收电路参数调整，保证了接收信号的质量，为系统高精度测量的实现提供了保证。

2.2 超声波发射 电路超声波 发射 电路 如 图 2所示 。系统 采用 了频 率 为40 kHz收发-体的超声波换能器。超声波发射时，由单片机产生 40 kHz脉冲信号，通过 SI4559芯片的快速通断产生高压脉冲，增强了超声波换能器的激发信号，确保了产生的超声波信号在到达接收探头时还保持较高的幅值，从而提高了接收精度。

图 2 超声波发射电路郑玲玲 等：基于时差法的超声波测风系统的研究 第l2期图 3 超声波接收电路2.3 超声波接收电路由于超声波信号在空气中传播存在-定程度的衰减，为保证接收信号的强度，需要对振荡信号进行功率放大，再加到传感器上。信号经前置放大电路放大后，由于噪声也同时被放大 ，信噪比并没有提高 ，另外为 了抵抗外界干扰(-般为幅值较大的瞬时信号)，所以在对振荡信号进行放大的同时需 进行低 通滤波处 理。最后信号经隔离和 比较后送入控制计算拈 。超声波接收电路如图3所示初始化- - ～ 循环发射控制计时器计时N计时器计时停止计时数值计算输出显示结果图4 软件设计流程2.4 控制计算拈根据超声波拈工作状态轮换规则0 ]，设定-个超声波收发控制信号，从而控制超声波传感器的收发状态。收发控制电路的主程序工作流程 图如图 4所示 。当单片机发出超声波控制信号 的同时，给计时器-个计 时开始信号 ，先 由 A探头发射超声波信号 ，B探头接收，由计时器获得传输时间。然后由B探头发射，A探头接收，得到反向传输时间。两个数据相减，得到的数据就是由风造成的超声波传播的时间差。同理 ，对 C和 D 2个超声波探头进行相同测量，得到 C和 D方向上的风速 。最后对数据进行处理，得出 2个垂直方 向的风速值 ，正交方 向上的风速再经过三角计算，即可获得水平面上的风速和风向值，最终传输到输 出拈进行显示。

3 实验 结果系统实验采用性能稳定的风扇来产生恒定的气流源 ，利用测量精度为0.5 m/s的风速测量仪作为校准仪进行风速值标定。实验结果如表 1所示 。

表 1 实验数据 m/s· 33 ·第35卷 电 子 测 量 技 术由实验结果可 以看 出，超声波 测风系统测得 的风速有 0.3 m/s的跳变 ，而校准仪也有 0.2 m/s的跳变 。由此基本可以判定超声波测风系统与精度为 0.5 m/s的风速测量仪具有相 同的精度范 围。另外 ，对于风向的测量 ，设定正北方向为 0。，当风速接近 0 m/s时 ，水平 角的风 向测量值在-180。～180。呈随机分布。这是因为风速过低时 ，系统存在 比较 大的误差 ，由于 噪声 的影响使得测量值在坐标轴的分量成 随机分布造成的。当风速 逐渐增大后 ，系统 的 精 度 较 高 ，水 平 方 向角 测 量 值 和真 实 值 趋 于- 致 。

4 结 论在深入分析超声波在空气中的传播特性的基础上建立 了超声波风速风向系统 的理论模型。该系统在基 于时差法测量风速风向原理的基础上，以 MSP430为核心构成高速计时拈，详细地阐述硬件电路 的设计 。另外通过软件编程实现其对超声波探头收发时序和外围电路的实时控制，通过拈化的软件设计方法 ，增强了软件系统的可移植性、可读性和稳定性，最终实现了对风速风向的精确测量，达到了系统设计的 目标 。该测量系统具有测量精度高、体积孝结构坚固、可靠性强，以及维护费用低等特点，具有较高的实用价值和广泛的应用前景。