空投式气象测量系统

海拔3000 m范围内,垂直间隔10 m各层次的水平面风速风向是关系到空降空投准确性的关键参数。空投式气象测量系统由3～10个测量节点和1个中继节点组成,所有节点空投至空降场上空。利用二维超声波风速风向测量仪和三维电子罗盘,提出了伞降过程中水平面风速风向测量方法,给出伞降测量节点和中继节点的设计方案,采用星型网络拓扑结构无线连接测量节点和中继节点,引入载波侦听多点接入/冲突避免协议,避免多个测量节点与中继节点通信时可能发生的冲突。基于嵌入式开发平台,搭建原理样机。采用NS2仿真软件对MAC层通信协议进行了仿真,物理和仿真实验结果表明,空投式气象测量系统能自动组网并探测空降场上各个水平面的气象参数。     

基于ARM和CPLD的无线风速仪设计

分析了在平面三角形阵列中利用超声波时差法测量风速风向的基本原理,设计了基于ARM和CPLD微处理器的无线风速仪。给出了以LPC1768和EPM240T100C5芯片为核心的超声波无线风速仪的设计实现方法。重点阐述了超声波驱动电路、信号调理电路、无线收发模块以及系统软件的设计。实验结果表明,该系统可以精确测量风速与风向,且工作可靠稳定。     

基于纳米裂纹的MEMS二维风速风向传感器

风速、风向信号的采集在工业、医疗与气象等领域具有重要意义。研发了一种基于纳米裂纹的微电子机械系统(MEMS)二维风速风向传感器。利用纳米裂纹超高灵敏度的优点,设计了纤毛-悬臂梁结构用于风速、风向信号采集。通过有限元数值仿真分析确定传感器的纤毛直径、高度和悬臂梁长度等结构参数。然后,采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底制备、聚酰亚胺粘附、金薄膜沉积、金薄膜图案化以及纳米裂纹工艺流程制备了纳米裂纹金薄膜。采用该纳米裂纹金薄膜,利用MEMS工艺技术制作了基于纳米裂纹的MEMS二维风速风向传感器,并通过自主研制的测试平台测试了传感器的风速和风向性能。实验结果表明,制备的二维风速风向传感器能够稳定测量2～7 m/s的风速信号,并具有误差不超过15°的风向识别能力。     

超声波检测风速风向的三种方法

随着科技的发展,超声波测量风速风向逐渐替代原始的三杯式测量。本文介绍了三种超声波测量风速风向的方法。它们都可以测量平面内任意方向的风速风向,但是其精确度略有不同。     

一种基于MEMS工艺的二维风速传感器的设计

给出了一种基于MEMS工艺的二维热风速传感器的设计、制造以及测试结果.该传感器采用恒功率工作方式,利用热温差的方法测量风速和风向.本传感器采用MEMS剥离工艺在玻璃衬底上同时加工出加热电阻和测温电阻,利用简单可靠的加工工艺实现了热隔离和高灵敏度.经过风洞风速风向测试,得知传感器的风速量程超过10m/s,360°范围内风向测量误差不超过8°.传感器的响应时间不超过1s,功耗为10mW.     

一种基于MEMS工艺的二维风速传感器的设计

给出了一种基于MEMS工艺的二维热风速传感器的设计、制造以及测试结果.该传感器采用恒功率工作方式,利用热温差的方法测量风速和风向.本传感器采用MEMS剥离工艺在玻璃衬底上同时加工出加热电阻和测温电阻,利用简单可靠的加工工艺实现了热隔离和高灵敏度.经过风洞风速风向测试,得知传感器的风速量程超过10m/s,360°范围内风向测量误差不超过8°.传感器的响应时间不超过1s,功耗为10mW.     

基于DSP的超声波式风速风向检测仪的设计

超声波测风技术具有非接触、精度高、测量范围广以及安装方便等优点,适用于煤矿井下风道检测、工业危险气体检测等。基于超声波时差原理,设计了一种基于DSP的芯片的超声波式风速风向检测仪。对顺流、逆流超声波信号采用相关函数法及频域变换处理方法,消除环境白噪声的影响,提高了时间差的测量精度和处理器运算速度。对环境温度造成的误差进行修正,实现风速测量范围0~25 m,误差小于0.2 m/s,并实现巷道中正反两向风向测量。通过大量实验和测试,该风速风向检测仪具有较高的精度和稳定度。     

相干多普勒激光雷达风场反演方法研究与实验印证

提出基于共轭梯度算法的速度方位显示(VAD)风场反演方法,应用最优化理论,将共轭梯度算法代替传统VAD方法中的傅里叶级数展开来求取最优解,并针对算法在风场反演应用时存在不收敛于最优解的问题,使用Hessian矩阵对算法进行了修正。同时开展了多普勒激光雷达与符合IEC 61400-12-1国际标准的高精度风杯风速计的43天对比实验,结果显示,当激光雷达的方位角扫描范围为60°、径向个数为7个时,两者的风速、风向相关系数分别为0.991和0.998,风速、风向标准偏差分别为0.52m/s和5.1°,风速、风向偏差分别为-0.02m/s和3.6°。对比实验结果表明,基于共轭梯度算法的VAD风场反演方法使用较小的扫描方位角仍能保证其测量的准确性满足国际标准,具有更强的适用性,同时印证了激光雷达系统的测量性能,为动态复杂风场的监测提供了更佳的选择。     

二维MEMS风速风向传感器的设计与测试

给出一种基于MEMS工艺的二维风速风向传感器的设计、制造以及测试结果。该传感器加热电阻采用圆形结构,四个测温电阻对称分布在芯片四周。传感器芯片在玻璃衬底上采用两步MEMS剥离工艺加工,加工工艺简单可靠。该传感器采用恒功率工作方式,利用热温差原理测量风速和风向。经过风洞测试,传感器可以完成360°风向检测,误差不超过10°。     

无人机搭载超声波仪器测量风场的校正算法研究

利用多旋翼无人机搭载超声波仪器测量风速、风向具有成本低、方便灵活、可大区域连续测量的优势,但无人机飞行时产生的倾角会使测风仪的测量结果仅为真实风沿其平面的一个分量,导致误差较大。针对这一问题,设计了一种基于无人机倾角对超声波风速仪测量结果进行校正的测风算法,包括无人机悬停与前进两种状态下的校正。利用四元数和姿态矩阵之间的关系得到无人机的3个欧拉角,进而得到无人机的倾角,通过倾角的大小来对超声波风速风向仪的测量结果进行校正。通过多次试飞实验,将校正后风速和风向在相对高度上的平均值与气象站的对应观测数据进行比较,误差控制在很小的范围内,结果相对准确,表明此算法可以实现对低空风场的实时监测。     

月球激光反射器指向角度计算及对准精度分析

月球激光测距（LLR）是地月间距测量精度最高的技术。其中,月球激光反射器（LRRR）是实现高精度月球激光测距的关键设备。中国计划在月面放置有人部署的新一代月球激光反射器,为使反射器有效工作,需调节反射器的俯仰角、方位角,使其指向对准平均地球。本文设计了一套算法,用于计算月球激光反射器指向对准所需调节的角度,同时分析了部署时间偏差、位置偏差对指向对准的影响。月球激光反射器指向对准偏差估计值约为2.7°,最大不超过5.0°,可以满足反射器对准精度优于5.5°的需求。设计的算法和开展的分析,可以为未来中国月球激光反射器部署任务提供参考。     

雷达低空目标俯仰角事后提取的动态偏差补偿技术

由于多径回波信号的干扰，雷达对低空目标俯仰角的实时测量很难达到靶场外弹道测量的精度要求。结合目前靶场在装雷达系统，研究了掠海巡航飞行低空目标的俯仰角事后提取问题，为了提高低空目标俯仰角的测量精度，应用动态偏差补偿技术从雷达系统实时存储下来的视频信号中提取低空目标俯仰角参数。结果显示，动态偏差补偿技术可以显著改善俯仰角测量精度，为靶场试验决策提供依据。     

二维MEMS风速风向传感器的设计与测试

给出一种基于MEMS工艺的二维风速风向传感器的设计、制造以及测试结果。该传感器加热电阻采用圆形结构，四个测温电阻对称分布在芯片四周。传感器芯片在玻璃衬底上采用两步MEMS剥离工艺加工，加工工艺简单可靠。该传感器采用恒功率工作方式，利用热温差原理测量风速和风向。经过风洞测试，传感器可以完成360°风向检测，误差不超过10°。     

基于时差法超声波风速风向传感器误差的分析

在气象服务和风力发电中,基于时差法的超声波风速风向传感器应用极其广泛.本文介绍了超声风速风向传感器的工作原理,分析了其测量误差的主要来源.在超声波传感器设计中,空中飞行时间误差对系统有着重要影响,根据飞行时间的测量方法,提出了误差修正的方法.同时分析了环境等因素对超声风速风向传感器的影响,并得出了相关结论.     

小型惯性控制平台的设计

简述了小型惯性控制平台的组成和工作原理,运用动力学原理建立了台体结构模型.研究了各框架间台体平稳性和机械误差对平台的影响.通过采用小型捷联式/GPS组合航姿仪测量技术和控制技术,平台稳定和跟踪效果好,经测试负载能力3 kg,俯仰角摇摆范围-15°～+90°,方位角范围0～360°,水平姿态精度<0.2°,航向精度<0.3°.     

基于FPGA的超声波传感器前端电路设计

超声波传感器广泛应用于风速、风向的测量,前端电路的设计直接关乎系统性能的好坏.为达到稳定的驱动效果,驱动电路采用了低压驱动方式.为能接收稳定、准确的超声波信号,设计了接收及信号处理电路,进行接收抗干扰限幅处理、前置放大、带通滤波、自动增益控制放大和电压比较,将所接收的超声波交变电压信号转换成可供FPGA 直接使用的数字信号.实验结果验证,各个电路模块的设计均满足系统要求.     

基于时差法和TDC-GP2的超声波热量表设计

为了实现高精度的热量值测量,设计了基于TDC-GP2的时差法超声波热量测量系统。系统采用超声波换能器和铂电阻温度传感器PT1000为敏感单元,TDC-GP2为测试单元,结合FPGA与上位机,最终实现了数据的采集、传输和处理功能。经过测试,系统流量测量误差在±0.5%以内,温度测量偏差不超过0.5℃,热量值测量误差优于±0.3%,达到了《热能表检定规程》的标准。     

C2动态相位估计的偏差补偿算法——雷达低空目标俯仰角测量提取的研究与应用

由于多径回波信号的干扰,极大地影响了雷达对低空目标俯仰角的测量,且对低空目标俯仰角的闭环跟踪测量实现极为困难,通常采用偏轴跟踪技术。通过对多路径反射环境模型分析,同时考虑镜面反射和漫反射的干扰,得出了岸、海基单脉冲雷达低空目标跟踪时俯仰角测量误差的产生原因,将传统的多目标分辨算法(C~2算法)与偏差补偿技术相结合应用于低角多径环境下偏轴跟踪目标俯仰角的测量,由C~2算法代替偏差补偿算法的航迹滤波并且动态估计直射和反射路径的相位差,然后对单脉冲比进行补偿,弥补两种算法各自的不足。在给定的测量环境下对不同高度目标进行了仿真,得到良好的仿真结果,表明C~2动态相位估计的偏差补偿算法,可较大地提高低空目标偏轴跟踪俯仰角的测量精度。并将其应用于某次试验中对掠海巡航飞行目标俯仰角的事后提取,与雷达实时输出的俯仰角测量数据相对比,验证了该算法的有效性和可实施性。     

热薄膜温差型CMOS风速风向传感器的研究和实现

介绍了一种基于 CMOS,能同时测量风速风向的硅集成传感器。通过保持芯片和环境温差恒定在设定值 ,测量芯片上对称区域由于风强迫对流而引起的温差 ,利用二维结构同时获得风速风向信息。本文首先介绍热薄膜温差型风速风向传感器原理 ,给出了具体结构和工艺 ,最后对样品进行了风洞测试 ,传感器能够测量风速 0～ 2 3 m/ s且 3 60°方向敏感     

船载太阳光度计图像跟踪系统

传统太阳光度计在海上移动平台上不能精准跟踪太阳。为了解决船舶在移动过程当中实现对太阳高精度跟踪的问题,利用鱼眼镜头、陀螺稳定平台、小视场CCD图像传感器等构建了船载型太阳光度计的图像跟踪系统。文中详细地描述了图像跟踪系统的整体结构和单臂探头的光路设计,介绍了时钟法与鱼眼成像系统相结合的方式在全天空大视场范围下进行太阳的粗跟踪,然后通过小视场的CCD图像处理技术来提高跟踪精度。此外,给出了系统的软件跟踪算法和流程,分析了系统跟踪的可靠性。该系统实现了在海上移动平台下的全自动跟踪测量,综合跟踪精度优于1′。与日本POM-01MKⅢ船用太阳光度计进行透过率与水汽的数据对比表明:在940 nm波段的大气透过率最大相对误差不超过7.6%,水汽含量最大相对误差不超过6.1%。该系统可以应用于船载太阳光度计测量海上整层大气透过率以及水汽数据,也可应用于其他对移动非稳定平台下太阳的跟踪。