（信号与信息处理专业论文）基于水声信号处理的明渠流量测量方法研究.pdf

沈阳航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文以明渠流量测量产品样机研制项目为背景，研究信号处理方法及其在嵌入式系 统实现中理论与技术问题，主要包括以下几个部分： 1 、流量测量方法分析及目前所选方法的误差分析 简单的介绍了流量的一些测量方法，介绍所选方法一水声信号流量测量方法的优点 及如何通过水流速和水深得到流量值。 从理论上分析所选方法误差的产生原因。包括测速公式的分析，超声波波束的分析， 水流分析，温度的影响，频率估计的误差，主频干扰及回波相位的影响等等。 2 、多普勒频率估计方法研究 水速的获得是通过多普勒频偏得到的，为了得到更加精确的水速，就要提高多普勒 频率估计的精确度。 首先，要将噪声和干扰( 电路热噪声、电路中的串扰信号，水中的噪声等) 等会引 起多普勒估计误差降到最低。在硬件上做阻抗匹配处理将干扰减小，然后引入了“改进 的谱减法”方法，将这些噪声降低； 其次，针对f f t 引起的频谱泄露及由于采样引起的栅栏效应而导致的谱峰偏移，引 入了离散频谱校正及全相位频谱分析方法，并对频谱校正的几种方法进行了仿真比较。 3 、稳健的深度测量方法研究 对于测深方法的改善。针对二次回波采取了相应解决方法；浅水处理方法；针对欠 采样下的回波相位的不确定性，对匹配滤波做了分析，找到了一种在原始方法上的自适 应匹配；通过引入多重相关法，来提高匹配精度。 4 、嵌入式系统实现 介绍了系统的硬件组成及软件实现。信号发射与接收、数据采集、数据处理及存储， 与上位机的通信并编写了简单界面以便观察测量数据。 5 、实验验证及流量标定 本部分包括的内容为：将上述阐述的理论进行仿真验证研究，通过实验验证来证明 改进方法的可行性。将超声波流量计测得的流量与简易的流量标定系统做比较，达到“预 沈阳航空航天大学硕士学位论文 标定”的目的。 关键词：谱减法；频谱校正；自适应匹配；多重相关；通信；f l a s h i i 沈阳航空航天大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et o p i co ft h ep a p e ri ss t u d yo fo p e nc h a n n e lf l o wm e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do n u n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a l ，i t sb a c k g r o u n dw a st h ep r o t o t y p e t h e o r ya n d t e c h n o l o g yi s s u e s o fs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o da n di t si m p l e m e n t a t i o ni ne m b e d d e ds y s t e m sw e r er e s e a r c h e d t h e p a p e r sc o n t e n ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： 1 a n a l y s i so ft h ef l o wm e a s u r e m e n t sa n dt h ei n a c c u r a c yr e a s o n so ft h ef o r m e rs e l e c t e d m e t h o d a tf i r s t ，ab r i e fa n a l y s i so fs o m eo ft h ef l o wm e a s u r e m e n ta n di n t r o d u c e dt h ec h o s e n m e t h o da n dh o wt og e tt h ew a t e rf l o wb yv e l o c i t ya n dd e p t h t h e nf r o mt h et h e o r yt oa n a l y z e m a i nc a u s e so fi n a c c u r a c y f o re x a m p l e ，s p e e df o r m u l a ，u l t r a s o n i cb e a m ，w a t e rf l o w , t e m p e r a t u r e ，f r e q u e n c ye s t i m a t i o n ，e c h op h a s ea n ds oo n 2 、t h er e s e a r c h e so f d o p p l e rf r e q u e n c ye s t i m a t i o nm e t h o d t h ew a t e rv e l o c i t yi so b t a i n e dt h r o u g ht h ed o p p l e rs h i f t ，i no r d e rt og e tm o r ea c c u r a t e w a t e rs p e e d ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fd o p p l e rf r e q u e n c ye s t i m a t i o n f i r s to fa l l ，t od i m i n i s ht h en o i s ea n di n t e r f e r e n c e ( c i r c u i tt h e r m a ln o i s e ，c r o s s t a l ks i g n a l c i r c u i tn o i s e ，n o i s eo fw a t e r , e t c ) t h a tw o u l dc a u s ed o p p l e re s t i m a t i o ne r r o r p r o c e s s i n go n h a r d w a r et or e d u c ei n t e r f e r e n c e ，a n dt h e ni n t r o d u c e dt h e ”i m p r o v e ds p e c t r a ls u b t r a c t i o n ” m e t h o dt or e d u c ei n t e r f e r e n c e s e c o n d l y , f o rt h es p e c t r u ml e a k a g ec a u s e db yf f ta n dt h ep e a km i g r a t i o nb ys a m p l i n g ， t h ed i s c r e t es p e c t r u mc o r r e c t i o nm e t h o d sa n da n a l y s i so fa l lp h a s es p e c t r u mw e r ei n t r o d u c e d 3 、t h er e s e a r c ho fr o b u s tm e t h o do fm e a s u r i n gt h ed e p t h t h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o nf o rt h es e c o n de c h o ；s h a l l o ww a t e rt r e a t m e n t ；b e c a u s eo f u n d e r - s a m p l i n g ，t h ep h a s eo fe c h oi su n c e r t a i n t y , t h ep a p e ra n a l y s e st h em a t c h e df i l t e rt of i n d a n a d a p t i v em a t c h i n g ；t h r o u g ht h e i n t r o d u c t i o no fm u l t i p l ec o r r e l a t i o nt oi m p r o v et h e m a t c h i n ga c c u r a c y 4 、t h ei m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m i i i 沈阳航空航天大学硕士学位论文 t h ei n t r o d u c t i o no fs y s t e m sh a r d w a r ec o m p o s i t i o na n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o n d e t a i l s o ft h ee n t i r es y s t e m ，i n c l u d i n gs i g n a lt r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a p r o c e s s i n ga n ds t o r a g e ，c o m m u n i c a t i o nw i t hp c a n dp r o g r a mas i m p l ei n t e r f a c et od i s p l a yt h e m e a s u r e m e n td a t a 5 、e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na n d c a l i b r a t i o no ff l o w t h es i m u l a t i o ns t u d i e so ft h ea b o v ed e s c r i b e dt h e o r i e st od e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h ei m p r o v e dm e t h o d s t h ec o m p a r eb e t w e e nt h eu l t r a s o n i cf l o w m e t e ra n de a s yc a l i b r a t i o n s y s t e mt oa c h i e v et h e ”p r e - c a l i b r a t i o n ”p u r p o s e s k e y w o r d s ：s p e c t r a ls u b t r a c t i o n ；s p e c t r u mc o r r e c t i o n ；a d a p t i v em a t c h e d ；m u l t i p l e c o r r e l a t i o n ；c o m m u n i c a t i o n ；f l a s h i v 沈阳航空航天大学硕士学位论文 1 1 背景及选题依据 第1 章绪论 中国是个贫水的国家，随着工农业的发展，产生水资源的利用与供需矛盾。当前是 注重节省能源，提高经济效益和产品质量的时期，人们越来越深刻的意识到流量计量与 测试的重要性。在这个工业生产迅猛发展的今天，不但流量测量方法种类越来越多，对 于流量测量的要求也越来越高。在一些引水场合，如：居民生活用水引水渠，工厂引水 和排水渠，污水排放渠以及水利工程和农业灌溉用渠道，明渠流量计都发挥着极其重要 的作用。 1 2 国内外发展动态及概况 从测量方法及种类上来讲，随着社会的发展进步，到目前为止，有多达6 0 多种的流 量计可用于工业测量，测量的方法也是千变万化，如：容积式流量计、浮子流量计、涡 轮流量计、差压式流量计、电磁流量计、超声流量计等等。超声流量计，以其高精确度 及较低的总体拥有成本等优点，成为近年来发展迅速的流量计之一，它最突出的特点是 可以用在大口径流量测量方而及明渠的流量测量上。 在超声波流量计的研究发展史上，美国是最早着手于此方面的研究的，而且不久就 研发出了产品并投入使用。起步较早的还有前苏联以及西欧各国，后来日本在超声波流 量计研究上有所建树。国外著名的品牌有日本的富士、英国的梅克罗尼、美国的宝丽声、 康创等。在明渠流量的测量上，美国的伊思柯( i s c o ) 公司己经开发出成熟的产品，但是价 格昂贵。 我国的超声波流量计研究工作起步相对晚一些，但是这并没有影响我国在此领域的 进步及成果。在研发人员的辛苦努力及对国外先进技术的引进下，国产的超声波流量计 早已研发成功并大量生产投入使用了。目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自 动化仪表有限公司、大连索尼卡电子有限公司、唐山汇中仪表有限公司、北京衡安特测 控技术有限公司等。但在明渠流量计上，国内还处在起步阶段。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 课题的研究意义及价值 从目前的国r 勾j , b 形势可以看出，我国对于明渠的流量计的研究还处于发展的初级 阶段，因此大量的国外产品涌入了中国的市场。但是国外的产品价格太高，而且国内 外应用于明渠的超声波流量计多基于槽式测量，这就严重造成使用上的不便，和额外 的费用的开销，而管道上用的超声流量计多采用时差法测流速，需要两个探头对称安 装在管壁的外侧，若用于明渠中显然也存在着安装和测深等一系列的问题。 因此，要推出一种使用方便、价格合理的适合国内生产和生活需要的明渠流量计， 从而促进我国水利经济建设。北京航瑞博泰科技有限公司于2 0 0 8 年为这类明渠流量计 立项，从2 0 0 9 年9 月份在已有的原理样机的基础上，经过测试方法的改进及产品简易 标定、可行性考核后，现已形成产品样机，并在部分地区已经安装了产品样机来考核产 品在现场的性能。 1 4 本课题研究的问题 1 4 1 明渠中流量测量 非满管状态流动的水路称作明渠。这里明渠流量采用流速一水位计算法，测出流通 通道的某局部( 点、线或小面积) 流速代表平均流速，再测量水位求得流通面积，经演 算求取流量。 流量分为瞬时流量( f l o wr a t e ) 和累计流量( t o t a lf l o w ) 。 瞬时流量( f l o wr a t e ) ：单位时问内流过明渠有效截面的量。数学公式： g = 百d v ( 1 1 ) 其中，矿为流体的体积，工程上常用单位m 3 h 。 累计流量( t o t a lf l o w ) ：在某一段时间间隔内( 可以是一天、一周、一月、一年) 流体流过明渠有效截面的累计量称为累计流量，通过将瞬时流量对时间积分可求得累计 流量。数学公式： q = i q o d t ( 1 2 ) 2 沈阳航空航天大学硕士学位论文 课题的研究意义及价值 从目前的国r 勾j , b 形势可以看出，我国对于明渠的流量计的研究还处于发展的初级 阶段，因此大量的国外产品涌入了中国的市场。但是国外的产品价格太高，而且国内 外应用于明渠的超声波流量计多基于槽式测量，这就严重造成使用上的不便，和额外 的费用的开销，而管道上用的超声流量计多采用时差法测流速，需要两个探头对称安 装在管壁的外侧，若用于明渠中显然也存在着安装和测深等一系列的问题。 因此，要推出一种使用方便、价格合理的适合国内生产和生活需要的明渠流量计， 从而促进我国水利经济建设。北京航瑞博泰科技有限公司于2 0 0 8 年为这类明渠流量计 立项，从2 0 0 9 年9 月份在已有的原理样机的基础上，经过测试方法的改进及产品简易 标定、可行性考核后，现已形成产品样机，并在部分地区已经安装了产品样机来考核产 品在现场的性能。 1 4 本课题研究的问题 1 4 1 明渠中流量测量 非满管状态流动的水路称作明渠。这里明渠流量采用流速一水位计算法，测出流通 通道的某局部( 点、线或小面积) 流速代表平均流速，再测量水位求得流通面积，经演 算求取流量。 流量分为瞬时流量( f l o wr a t e ) 和累计流量( t o t a lf l o w ) 。 瞬时流量( f l o wr a t e ) ：单位时问内流过明渠有效截面的量。数学公式： g = 百d v ( 1 1 ) 其中，矿为流体的体积，工程上常用单位m 3 h 。 累计流量( t o t a lf l o w ) ：在某一段时间间隔内( 可以是一天、一周、一月、一年) 流体流过明渠有效截面的累计量称为累计流量，通过将瞬时流量对时间积分可求得累计 流量。数学公式： q = i q o d t ( 1 2 ) 2 沈阳航空航天大学硕士学位论文 明渠流量测量方法介绍： 1 、机械方法 浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之问的流通面 积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计。 工作原理：水，空气，液态或气态化学介质由下向上垂直通过流量计。浮子被流体 动力托起，通过浮子顶端的读数沿，直接在测量管的刻度尺上显示出流量。 浮子流量计主要测量对象是单相液体或气体，液体中含有微粒固体或气体中含有 液滴通常不适用。因为浮子在液流中附着微粒或微小气泡均会影响测量值。使用流体 和出厂标定流体不同时，要作流量示值修正。液体用浮子流量计通常以水标定，气体 用空气标定，如实际使用流体密度、粘度与之不同，流量要偏离原分度值，要作换算 修正。使用起来很不方便。不能用于大管径，在明渠上使用可行性不高。而且机械式 的结构设计复杂，容易堵塞。 2 、空气声测量法 所谓空气声测量法，就是在明渠的上方( 桥板下) 安装超声波换能器，由于桥板底 与渠底的距离是固定的为h ，测出桥底到水面的距离d ，则水深h = h d 。此方法可以 完成水深的测量，但是测水速就不是很方便了。而且还有其他缺点：一是安装不方便， 要依靠桥或其他在明渠上方的建筑；二是超声波暴露在外面，在无人看守的情况下容易 丢失。 3 、水声测量法 水声在水中与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。 水声在流动的流体中传播时就载上流体流速( 微小杂质颗粒) 的信息。因此通过接 收到的回波信号就可以检测出流体的流速。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多 普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。多普勒法通过测量 不均匀流体中散射体散射的回波信号的多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗 粒、气泡等流体流量测量。分析水静止时回波的频率和水流动时回波频率，从而由频差 得到水速。测深时，利用超声波的反射特点，测量发射波回波时问差，从而得到水深。 由水速和水深得到流量。此方法比较前两种方法而言，好处一是不会像浮子流量计那样 容易堵塞；好处二是测速测深可以准实时得到，更能反映当前水流量状态；好处三是测 3 沈阳航空航天大学硕士学位论文 量范围广( 通过多普勒带宽范围及测深时放大倍数的调整) 。而且通过原理样机也可以 证明了这个方法确实可行。 1 4 2 测速精度提高方法研究 多普勒测速基本原理介绍： 从水底斜向上发射单频声波( 以) 。由于水的流动( 主要是水中杂质颗粒) 产生多普 勒效应，回波产生多普勒频移。这个多普勒频移扇移可以通过信号处理方法得到。则水 的流动速度： 啄2 羔( 刚s ) ( 1 3 ) 其中：口为换能器安装角( 波束方向与水平面的夹角) 。c 为声速，与温度有关。常 温下大约1 5 0 0 m s 。 该方法在课题前期研究及原理样机中得到验证。但是，由于后期电路的修改及测量 环境的改变，发现原始方法存在缺陷，由于干扰等一系列原因导致测量结果与真实值偏 离较大，因此引入了如下几种算法。 1 、针对主频干扰引入“改进的谱减法” 依照在语音信号中的“谱减法”，对于外部的一些噪声干扰，通过发声前的所谓“寂 静段”来估计噪声的功率谱，然后在讲话后的功率谱中减去噪声功率谱，从而得到较 为纯净的语音频谱 1 l 。 与语音信号的“谱减法”的不同的是，本文的“改进的谱减法”不是减去“寂静段” 的噪声功率谱，而是带信号去噪。步骤如卜 ： ( 1 ) 首先发射换能器在静水中发射信号，观察回波频谱，确定干扰的大概范围尺。 ( 2 ) 调整水流速，使其对应的频谱在尺之外。保存尺内的数值。本步骤执行多次。 ( 3 ) 根据上一步骤整理数值，看干扰尺内的数值与主频值的比例关系及主频与真实 多普勒频率值的关系。 ( 4 ) 在接收的回波信号中依据比例减去干扰。 2 、为了得到更加准确的多普勒频移，采用了离散频谱校正方法及全相位谱校正方 法。频谱校正算法有： 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 ( 1 ) 比值校正法( 内插法) 这种方法利用频率归一化后差值为1 的主瓣峰顶附近两条谱线的窗谱函数比值， 建立一个以归一化校正频谱为变量的方程，解出归一化校正频率，进而进行频率、幅 值和相位校正。 ( 2 ) 能量重心校正法 根据对称窗函数离散频谱的能量重心特性推导出的一种离散频谱校正法。 ( 3 ) 相位差法之时域平移法 相位差时域平移校正法：采样长度为( l + n ) 点，从该段第0 点起，取n ( 通常为1 0 2 4 ) 点，得到一时间序列，从该段的第l 点起( 时间平移l 点) ，取点，得到另一时间序 列，分别对两段序列加窗进行n 点的f f t 变换，利用对应峰值谱线的两个相位差进行 频率校正 2 - 4 。 ( 4 ) 全相位频谱校正法( a p f f t ) a p f f t 的算法是先对数据进行全相位预处理，然后进行传统的f f t 运算。 全相位预处理过程如下5 ： 构成一个n 点的汉宁窗。 汉宁窗对自己求卷积，得到2 n 1 点的卷积窗。 求2 n 1 点的卷积窗的和。 将卷积窗的每一项除以卷积窗的和，得到2 n 1 点的归一化卷积窗。 将数据的l ：2 n 1 项和归一化卷积窗相乘，得到加窗的2 n 1 项。 将第1 项和n + i 项，第2 项和n + 2 项第n 1 项和第2 n 1 项相加，得到经过全 相预处理的n 点序列。 做f f t ，就可以得到a p f f t 的结果。 ( 3 ) 为了提高精度，将测速范围分段 为了兼顾测量的速度及测量的精度，选择了测速分段。首先做速度所在区间估计。 在水速较低的时候，采样率低，提高分辨率；在水速高的时候，用较高的采样率。为了 能在低水速的时候也有较快的测量速度( 测量的时间主要占在了采样上) ，采用了数据 5 沈阳航空航天大学硕士学位论文 滑动平均的方法并适当的减少了采样的点数，来弥补采样速率低引起的测量时间加长。 1 4 3 水深的测量精度提高方法研究 水深测量基本原理介绍： 垂直向上发射脉冲信号，收发共置换能器，垂直向上发脉冲。根据 h = 0 5 c t ( 1 4 ) c 为声速，与温度有关。常温下大约1 5 0 0 m s 。t 为从发射信号到接收到信号所经历 的时间，h 为水深。求得时差t ，就可以得到深度h 了。 为了使测深的结果更加准确，采用了以下几种方法对测深方法进行了改进。 1 、多重相关的使用，经仿真发现多重相关( 2 ) ，随着重数的增多匹配结果误差趋 于越来越小。在抗噪声上有一定的效果6 1 。 2 、针对欠采样口1 下的回波相位的不确定性而导致的匹配结果的偏离，找到了一种 自适应匹配方法，根据相位，从而改变本地匹配波形，来提高匹配结果的正确性。 3 、根据在实际情况中，深水和浅水的回波差异及放大板的倍数对回波的影响，对 深水及浅水做不同的处理方法。 1 4 4 嵌入式系统的实现 1 、部分算法的移植 这部分的内容是将经多次仿真验证的可行算法移植到d s p 中。 2 、d s p 与上位机通信 在此部分主要要解决的问题就是d s p 与上位机之间的通信。通信模式有两种，一 种是主动式，另一种就是应答式。主动式是上位机不参与任何指令的发送，下位机设定 好时间间隔后，会按照这个时间间隔进行测量，将测量的数据通过有线( 无线) 方式传 送给上位机，上位机只负责接收及存储。应答式是首先接收上位机指令，按照协议，根 据上位机传达的指令，去执行相应的动作。这两种模式可以根据需要要求进行选择。 3 、数据的存储、参数的固化、程序的固化 程序的固化是必然的。在使用第二种通信模式时，需要存储数据、固化参数，那么 还要考虑数据的存储问题。这部分主要的工作是d s p 与f l a s h 之间的数据的读写及数据 空间的分配。 6 沈阳航空航天大学硕士学位论文 4 、简单的显示界面 为了能够方便的看到及存储测量的数据( 速度、深度、流量等信息) ，用v b 语言 简单的编写了一个串口助手，来方便数据的观察及存储。 5 、系统硬件外围电路的搭建 根据系统需要，搭建相应的电路。主要包括：信号发生电路、驱动电路、接收放大 电路、信号采集电路、滤波电路、温度校正电路及看门狗电路。 1 5 数字信号处理芯片的选择 本系统所采样的数字信号处理芯片是t i 公司的t m s 3 2 05 5 0 9 a t 引，考虑到本系统的 需求，一是：系统在户外工作，无市电供应，需低功耗来降低电量损耗；二是：为了使 系统尽量精简，需要考虑是否能够找到一个集成了这些功能的芯片；三是：为了能够反 应实时的水流状态，所选处理器应该有快速的计算速度，即：要求指令周期要小；四是： 处理器是一个系统的核心，囚此必须要稳定可靠；五是：产品形成后，要有稳定的货源。 综上所述：此芯片具备以上优点，因此选择此款芯片是可以的。 1 6 本章小结 本章阐述了课题的背景及选题依据，简要介绍了国内外发展动态及概况，分析了课 题的研究意义及价值。在整体上阐述了本课题研究的问题一如何提高测量的精度及鲁棒 性，并介绍了在本系统中所做的工作。 7 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第2 章明渠流量水声信号处理测量方法及误差分析 流量的获取是通过水速及水深得到，因此欲使流量测量的准确，首先在水速及水深 的测量精度上应该提高。本章针对在水速及水深信号处理方面存在的问题进行了分析， 分析了误差所在的原因。 2 1 水速测量方法研究及其误差分析 2 1 1 水速测量的基本原理 水面 、弋 、- 杂质颗粒 _ 一 发射换能器 图2 1 水速测量原理图 水声测速的原理图如图2 1 所示。 在换能器收发共置的情况下，声波经发射后，测量声波被水中移动的悬浮物质反射， 此时回波信号与发射信号就会产生频率差，即多普勒频移，利用频移就可以计算流速。 在一个测量周期内，首先换能器以发射频率，：发射一束超声波，这束波被一个悬浮 质以与发射频率不同的频率接收到( 或反射) ，这一过程产生了多普勒频移，然后波束又 一次反射回换能器，再一次产生一个多普勒频移。两个多普勒频移存在于这个交换过程 中，前一个是信号通过换能器传到悬浮质，第二个是信号从悬浮质反射回换能器。 因此，要计算多普勒频移，只要将所接收到的回波做f f t 后与静水下( 或发射波) 的f f t 做差，就可以得到频移厶移。从而得到水的流速啄。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第2 章明渠流量水声信号处理测量方法及误差分析 流量的获取是通过水速及水深得到，因此欲使流量测量的准确，首先在水速及水深 的测量精度上应该提高。本章针对在水速及水深信号处理方面存在的问题进行了分析， 分析了误差所在的原因。 2 1 水速测量方法研究及其误差分析 2 1 1 水速测量的基本原理 水面 、弋 、- 杂质颗粒 _ 一 发射换能器 图2 1 水速测量原理图 水声测速的原理图如图2 1 所示。 在换能器收发共置的情况下，声波经发射后，测量声波被水中移动的悬浮物质反射， 此时回波信号与发射信号就会产生频率差，即多普勒频移，利用频移就可以计算流速。 在一个测量周期内，首先换能器以发射频率，：发射一束超声波，这束波被一个悬浮 质以与发射频率不同的频率接收到( 或反射) ，这一过程产生了多普勒频移，然后波束又 一次反射回换能器，再一次产生一个多普勒频移。两个多普勒频移存在于这个交换过程 中，前一个是信号通过换能器传到悬浮质，第二个是信号从悬浮质反射回换能器。 因此，要计算多普勒频移，只要将所接收到的回波做f f t 后与静水下( 或发射波) 的f f t 做差，就可以得到频移厶移。从而得到水的流速啄。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 2 1 2 水速测量误差分析 1 、测量公式的近似化 在水速与多普勒频移的关系表达式上，一般的参考资料给出的公式为( 1 3 ) ，但是由 以下分析可知，公式( 1 3 ) 只是近似后的表达式。 两物体在同一直线相对运动时，观察点所接收的信号频率为： 厂= ( c + d 忙一例z( 2 1 ) 公式中：c 为声波在水中的传播速度 v 为目标与观察者的相对径向运动速度，且相向运动时，符号为正 六为声源发射信号频率 从上面的公式可以看出，接收方所接收到的声波频率与声源的频率、声源与目标的 相对运动速度有关系。 在图2 1 中，多普勒流量计的收发换能器与水底的夹角为9 0 。一口。发射换能器发射 的主瓣波束与水底的夹角为a 。发射换能器发射频谱为五声波，则由公式2 1 可得回波 信号的频率局波为 局波：孚坐黑， ( 2 2 ) r 一一 ，l 回i 皮一( c ：- v c o s 口) , i c 、“7 令y ：v c o s t z ，则上述公式可以简化为 则多普勒频移为 经变换： 局波= 等z ( 2 3 ) 六= 届波一z = 茜丘一五= 苦z ( 2 4 ) 将y ：兰竺代入公式2 5 中得 c 隅= 2 c y ( 2 5 ) 9 沈阳航空航天大学硕士学位论文 厶移：生坐兰坚 ( 2 6 )频移一l 二u ， 由此可见，( 2 5 ) 式是将( 2 4 ) 式进行了t a y l o r 展开，并舍去了二次项和其他高次项之 后的近似表达式而已。近似引入的相对误差为1 9j ： = 华= ：y ：v c o s 6 9( 2 7 ) c 例如当口：3 0 。，v ：5 m s 时，相对误差为衫：0 2 9 。因此可以看出测速公式 ，jd 的近似化会影响最后水速的测量精度。这个误差对明渠水流速的影响并不是很大，可以 忽略，如果为了更精确，可以使用公式( 2 4 ) ，它是真正的理论上的水速与多普勒频移的 关系。 2 、层流与紊流对测量结果的影响 流体在运动过程中，各质点完全沿着管轴方向直线运动，质点之间互不掺混、互不 干扰的流动状态称为层状流动，简称层流。若运动着的质点不仅沿着管轴方向的直线运 动，还伴有横向扰动，质点之间彼此混杂，流线杂乱无章，这种流动状态称为紊流。 在明渠中，水流中的杂志颗粒应是属于紊流。 多普勒测量结果是波束照射区域内多个粒子综合效果，但是由于颗粒的流动状态为 紊流，那么将一次测量值作为当前水流速平均速度值就有欠妥当。 因此可以通过对速度值进行平滑来降低误差。 设每次测得的速度值为v i ，每次测量值是互相独立的随机量，设其方 差均为6 2 ，进行n 次独立测量后的样本均值为 v a v e r ：专羔v ( 2 8 ) 2 万缶v 心崩 方差为 皖2 e t 专万2 ( 2 9 ) 1 0 挈巧 沈阳航空航天大学硕士学位论文 由公式( 2 9 ) 可以看出，进行平滑之后的结果，误差由万降到苫万【1 0 。 qn 3 、超声波波束对测量的影响 首先介绍一下声波换能器的特性。声波换能器就好比一个喇叭，能将电信号转换成 声波，或者将声波转换成电信号。 换能器在将电信号转化成声波的过程中，所产生的声波并不是理想中的矩形，而是 一个类似花瓣一样的形状，参见图2 2 。 a最理想的形状 旁瓣 b 宽波束c 窄波束 图2 2 声波特性图 由声波特性图可知，最理想的形状对于测量是有益的，但在实际中并不存在理想形 状。波束太宽对测量是无益的，因为宽波束可以检测到任何在波束范围内的杂质颗粒， 那么此时的回波信号就不能反映出真实的水平均流速。窄波束是目前选择的波束，它对 测量结果的影响又与波束宽度和波束的倾角有关。 目前所应用的公式( 2 5 ) 都是假定发射换能器的张角是无限窄的，但是实际上发射换 能器是有一定张角的，这就会引起回波的多普勒频谱扩展。回波多普勒频移扩展的原因 是不同角度的发射波返回后有不同的多普勒频移。使接收信号的频谱比发射信号频谱 宽。因此接收到的回波信号的波形的频谱图有好多频率分量。 沈刚航空航天人学硕十学位论文 移为 图2 3 波束图 设如棚为波束的半功率点处的宽度，则在角度为口一_ 3 - d b 处的回波信号的多普勒频 厶犷孚c o s ( ”臼- ，3 ，d b ) cz 司理在角度为口+ 堡鲨处回波的多普勒频移为 2 厶旷孚c o s ( 叶o - ，3 ，d b ) cz ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 鲵：厶移。一厶移：丝s i n c f - s i n 孥 ( 2 1 2 ) 因此可得到多普勒频移带宽与波束轴线上的频移之比为 羔：14vf。s茅inasino - 3 d b = 2 g a - s i n t o - 3 d b b 。3 ， 厶移 兰望竺竺竺 2 p 7 山式( 2 1 3 ) 可知，波束倾角口和波束宽度0m 值越小，波束越集中在波数轴上， 因此波束倾角和波束宽度越小越好。减小晓枷的方法就是使发射信号的宽度尽可能窄， 但是所选的传感器的性能已经固定了。那就要考虑a 带来的影响，考虑到明渠流速的分 析i ，口不能取得太小，那样就不能反映水的平均流速了，因此折中选择口为3 0 。【1 1 】。 4 、水温度变化对测量结果的影响 影响水中声速较大的一个因素是温度。下表是温度的变化和声音在水中传播的速度 ( 1 1 1 s ) 之间的对应关系( f 常空气压力下) 。 1 2 沈阳航空航天大学硕士学位论文 表2 1 温度与水中声速的关系对照表 图2 4 声音在水中传播的速度( m s ) ( 正常空气压力下) 从中选取2 0o c 并n2 5 。c 来分析的当温度变化为5 。c 时对于测量速度值的影响有多大。 ( 此时c = 1 5 m s ，最小频偏1 2 4 5 h z ，口取3 0 。，f c 为1 m h z ) 。由公式( 2 5 ) 得 咏= 筹瓮 1 2 4 5 1 6 = 仄= 2 1 m o 1 0 8 m m v z k ( 2 5 。) - - 筹筹吐嘶c 聊 洒f 水( 2 5 “) f 2 1 4 ) 在温度变化的情况下，如果在水流速较大的情况下必然会引起水流速的误差。 因此就需要用温度传感器对水温进行监控，对声音在水中传播速度做及时的修改来 1 3 沈阳航空航天大学硕士学位论文 避免温度变化带来的测量误差。此部分在第5 章的温度采集部分有详细介绍。 5 、主频干扰 所谓主频干扰是指当发生多普勒频偏时，在主频及其附近存在着强烈的干扰，致使 真实的多普勒频率的值被这些干扰淹没，就会对测量的结果产生很大的误差。 解决此问题就是“改进的谱减法”的应用。第三章会详细介绍。 6 、频率的测量带来的误差 噪声和干扰( 电路热噪声、电路中的串扰信号，水中的噪声等) 等会引起多普勒估 计误差，离散频谱的栅栏效应、谱估计时数据不合理的处理方法等也会带来较大估计误 差。因此在搜索回波信号的多普勒频移时就无法对准其真实的频率。显然当信号真实频 率位于两个离散谱线正中间时，频率、幅值和相位误差最大。鉴于此，本文引入了几种 离散频谱校正及全相位频谱校正法进行分析比较。第三章会详细介绍。 2 2 水深测量方法研究及其误差分析 2 2 1 基本原理介绍 水面 图2 5 测深原理图 垂直向上发射脉冲信号，收发共置换能器，垂直向上发脉冲串。根据 h = 0 5 c t ( 2 1 5 ) h t = h - t - d = 0 5 c t + g f 2 1 6 ) c 为声速，与温度有关。常温下大约1 5 0 0 m s 。t 为从发射信号到接收到信号所经历 的时问，h 为水面到传感器表面的距离，g 为传感器厚度，忽为水深。求得时差t ，就可 1 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 避免温度变化带来的测量误差。此部分在第5 章的温度采集部分有详细介绍。 5 、主频干扰 所谓主频干扰是指当发生多普勒频偏时，在主频及其附近存在着强烈的干扰，致使 真实的多普勒频率的值被这些干扰淹没，就会对测量的结果产生很大的误差。 解决此问题就是“改进的谱减法”的应用。第三章会详细介绍。 6 、频率的测量带来的误差 噪声和干扰( 电路热噪声、电路中的串扰信号，水中的噪声等) 等会引起多普勒估 计误差，离散频谱的栅栏效应、谱估计时数据不合理的处理方法等也会带来较大估计误 差。因此在搜索回波信号的多普勒频移时就无法对准其真实的频率。显然当信号真实频 率位于两个离散谱线正中间时，频率、幅值和相位误差最大。鉴于此，本文引入了几种 离散频谱校正及全相位频谱校正法进行分析比较。第三章会详细介绍。 2 2 水深测量方法研究及其误差分析 2 2 1 基本原理介绍 水面 图2 5 测深原理图 垂直向上发射脉冲信号，收发共置换能器，垂直向上发脉冲串。根据 h = 0 5 c t ( 2 1 5 ) h t = h - t - d = 0 5 c t + g f 2 1 6 ) c 为声速，与温度有关。常温下大约1 5 0 0 m s 。t 为从发射信号到接收到信号所经历 的时问，h 为水面到传感器表面的距离，g 为传感器厚度，忽为水深。求得时差t ，就可 1 4 沈阳航空航天大学硕士学位论文 以得到深度忽了。 2 2 2 水深测量误差分析 1 、收发共置，双探头引入的误差 ( 1 ) 接收探头接收到的是发射探头主瓣的信号( 以一卜分析不包括传感器厚度) 交集水面 i l 水底 a 理论上的收发图b 接收主瓣中心信号 图2 6 测深原理图( 主瓣) 设两探头之间的距离为d ( 在本系统中经测量直径为1 8 c m ) ，理论上的发射接收如 图2 6 中a 所示，即接收传感器接收到的信号应该是发射主瓣波束范围和接收主瓣波束 范围交集处。为了方便计算，假设发射信号在水面的反射点为交集中点，且发射探头圆 心到交集中点的距离与接收探头圆心距离到交集中点距离相等为h ( 即实测值) ，那么 真实值应为： 峥踊 ( 2 1 7 ) 由公式( 2 1 7 ) 可以看出，实际测量值要比真实值大。 那么由此引入的相对误差为： ti h - h , i 2 巧h 一1 ( 2 1 8 ) 五 f ，d ， 、7 圹 、2 7 d 是传感器的的直径，为固定值约为2 5 c m ，由式( 2 1 8 ) 可知，测量的值越大，则误 差越小。浅水时误差就相对大些。当水深测量值为6 c m 时，引起的误差为2 2 4 。 1 5 沈阳航空航天大学硕士学位论文 由图2 6 中b 图所示，发射探头( 主瓣) 到水面的距离为j l z l ，水面返回到接收探头 由图2 6 中b 得数学关系 磅：砰+ d z 和矗：毕 i z l = j l z 一石d 2 ( 2 1 9 ) 由公式( 2 1 9 ) 可见实际测量值比真实值大。由此引入的误差为： - 2 掣2 掣2 巧1 1 亿2 。， 7 办- 一 一盔一】一4 、：1 u ) 经测量d 的值约为2 5 c m ，当测量值h 为6 c m 时，所引起的误差为4 5 4 ，可见浅 图2 7 测深原理图( 旁瓣) 由图2 7 可以看出在测深的时候，有时接收探头接收到的信号是发射探头旁瓣的信 号，这时假设，接受探头在接收的时候是垂直接收的，那么其计算公式与图2 6 的情况 就是一样的了。 ( 3 ) 盲区： 1 6 沈阳航空航天大学硕士学位论文 法线l水面 图2 8 测深原理图( 百区) 所谓的盲区就是在一定的深度。以下，用此方法测量的值不能再正确反应真实的 水深了，称此时的h m i 。为盲区。 这个误差是不可避免的。无论是双探头法还是单探头法( 自发白收) ，都有盲区的 存在。在本方法中盲区在上述基础上还得加上一部分，那就是传感器的厚度。那么盲区 就为。+ g 。 2 、探头固定误差及程序固定误差修正 ( 1 ) 探头固定误差 声波换能器是由压电材料组成的，压电材料本身较脆，并因各种绝缘、密封、防蚀、 阻抗匹配等要求，压电元件往往装在一定外壳中，称为探头。因压电材料与探头表面有 一定的间隔，换能器不同其间隔有可能不同。这样在测量过程中会带来误差。设压电材 料与探头表面距离为d ，将探头放在不同水深的水中，读取探头表面与水面的距离分别 为拓。和h ：，所对应的匹配后的谱线号分别为i n d e x l 和i n d e x 2 ( 这个时间里包含在探头 里的频谱差a i n d e x ) 则有 z 4 1 1 0 曲x c ( i n d e x l 一加妣) ，2 ll2 i 一 z 4 1 1 0 。0 c ( i n d e x 2 一a i n d e x ) ，z ，= ，、 f，zdex：hllindex2-h22indexl h l l h 2 2 ( 2 2 1 ) 1 7 沈阳航空航天大学硕士学位论文 这样在计算中就可以将a i n d e x 考虑进去，从而来降低误差【l 2 1 。 注：公式中的4 1 1 0 。6 为一个时问分辨率 ( 2 ) 程序固定误差 因为在程序的调用中，语句是先后顺序执行的，而不是同时执行的，因此发射和接 收语句执行的不同步同样会带来误差。减少误差的方法就是测试发射和接收之间所间隔 的时间，然后算出对应的距离，将所测得的结果中将此部分的距离减掉就可以了。 ( 3 ) 温度的影响 由公式( 2 1 6 ) 可以看出深度的测量与声速也是有关的