CN101936756A - 一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统及方法，系统包括中央控制处理器、频率合成器、发射部分、接收部分和显示器。其中，发射部分包括发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束子阵和第二波束子阵。接收部分包括第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络和信号处理器。其特征在于：所述中央控制处理器分别与频率合成器、发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络、信号处理器连接。该系统的检测方法通过相控阵技术实现波束偏转和动态聚焦，可以在整个管道截面上实现多方向、多深度位置的测量，并且动态调整波束扫描的形式，减少了波束扫描的处理时间，提高了测量精度。

Description

一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统及方法

技术领域

本发明涉及超声多普勒流量检测技术领域，具体涉及一种超声多普勒流量检测系统及方法。

背景技术

超声波多普勒流量计的测量原理是以多普勒效应为基础的，根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所观测到的声信号频率将不同于声源所发出的频率，这个因相对运动而引起的频率变化与两物体的相对速度成正比。在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射换能器为固定声源，向被测量的流体中发射固定频率的声波信号，随流体一起运动的悬浮颗粒或者气泡将发射过来的超声波反射回接收换能器。声源与流体中散射介质的相对运动将导致接收声波与发射声波之间产生频率差，即多普勒频移。多普勒频移正比于流体流速，通过下述式子可以简要说明流速与多普勒频移的关系：

                    公式(1)

其中，c是声波在流体中传播的速度，f为声波的发射频率，

是多普勒频移，

是发射波束与流体流动方向上的角度。因此当c、f、已知，测量多普勒频移

就可以求得流速，再根据管道截面面积，进而可以求得流体的流量。

多普勒测流速的方法适用于非纯净液体的测量，要求液体中含有大量悬浮颗粒或者气泡，以对发射声波产生反射，并且这些悬浮颗粒或者气泡与液体有相同的运动速度。

当流速很小时，流体质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动，流体分层流动，互不混合，称为层流。例如毛细血管中血液流动、流速很小的细直管道流动等，其流速在管道中心处最大，接近管壁处最小。当流速增大到一定程度时，层流因受扰动开始向不规则的湍流过渡。质点间相互混掺，形成紊乱、轨迹曲折混乱的流场，称为紊流，例如输油管道、天然河道、大气环流、动脉中血液的流动等。

传统的超声波多普勒流量计通常假设管道中流场为层流，流速分布均匀，沿一个固定角度向流体中发射超声波并接收回波信号，测量各层流速，从而确定出整个剖面的平均流速。然而如果测量点前的直管段较短，使得管道流场无法预测，流速并非均匀分布，测量局部方向上的流速并不能代表整个管道截面的平均流速。因此这种测量方法精度并不高，无法满足要求。

在以往的超声波多普勒流量测量中通常假设管道内流体是含有大量散射体的水，并且声速已知。但实际上所测量的有可能为其他液体，其声速的确切值无法得知，并且介质中的声速随介质温度的变化也有所不同，即使所测液体是水也很难准确确定出其中的声速。如果通过温度传感器测量出管道和液体的温度，那么还必须知道管道内液体介质的先验知识，以将该介质和它相应的声速对应起来，这在实际操作上比较复杂，而且温度传感器的工作温度也有一个范围，超过该范围测量会产生较大误差。

传统的超声换能器的主波束有一定宽度，并且发射到远距离波束会发散，而且主波束周围会伴随有寄生旁瓣，这样会接收到来自非主波束方向上的回波信号，对主波束方向的有用回波信号造成干扰，使得测量精度降低。一种解决方法是在换能器发射孔径下安装遮挡超声波的单元，从而限制换能器发射的波束的宽度，这种单元必须采用比发射单元声阻抗小得多的材料制成，以吸收掉多余的超声信号。但这样的装置安装后难以调整波束方向，灵活性大大降低，并且安装调试麻烦，精确度不高。

中国发明专利申请“多普勒型超声流量计”(公开号：CN1608198A，公开日：2005年4月20日)提供了一种多普勒类型的超声流量测量系统，通过超声换能器来发射超声脉冲进入待测量的流体，接收装置接收流体中的一个固定测量区域的超声回波信号，流速剖面测量装置测量出该区域流体的流速剖面，流速计算装置在此区域流速剖面的基础上计算出流体的平均流速。这种技术缺点是它仅仅假设流体速度较小且流场为层流分布，由于流体实际流速随时间不断发生变化，当流速较大时会形成湍流，流场各部分流速有很大不同，测量一个区域的流速与实际的平均流速有太大偏差，并且忽略了声速随介质的不同和温度的差异而改变所造成的测量偏差，从而难以满足测量精度的要求。

中国发明专利申请“用相控阵换能器进行声波多普勒速度处理的系统和方法”(公开号：CN101542295A，公开日：2009年9月23日)提供了一种测量流速的系统和方法，采用相控阵技术形成四个波束，向水中发射超声脉冲串信号，并接收来自这四个波束照射区域中散射体反射的回波信号，以此估计出流速剖面分布。但这种技术只适用于研究河道、湖泊、海洋等环境的流速分布，其缺点是：

第一，波束方向一经确定，就难以再修改或者偏转，只能测量固定四个方向上的流速分布，其灵活性不高从而限制了其应用；

第二，要形成足够窄的波束宽度，需要使用大量的阵列单元，例如为了形成

的波束宽度，需要近似16

的阵列总直径，需由近似800个阵列单元组成，安装调试都不方便，它只适用于大型流场的研究。对于小管道有必要减小阵列尺寸，但这样又难以形成窄波束，从而无法提高波束的横向分辨率；

第三，由于距离分辨率与发射信号的带宽有关，信号带宽越大，则距离分辨率越高，而脉冲信号长度是信号带宽的倒数。为了避免距离模糊，有必要减小发射脉冲的长度，以提高距离分辨率。但为了增大作用距离，避免发射的脉冲信号在传播过程中衰减严重，同时避免引起速度模糊，又必须增大发射脉冲的长度，保证在不提高发射功率的情况下使回波信号的信噪比不至于减小到影响检测的性能。这个系统采用相位编码发射宽脉冲信号，接收过程中经过自相关法进行脉冲压缩，输出窄脉冲信号。虽然该方法可以同时提高距离分辨率和速度分辨率，但相位编码脉冲信号对多普勒频移过于敏感，将严重影响测量精度。因此这种技术并没能很好地解决作用距离和分辨能力之间的问题，从而限制了该技术在各种不同测量场合的应用；

第四，当回波能量不是垂直入射于阵列时，同相波前与阵列中相邻阵元之间的距离不同而产生波程差。该系统采用移相器进行相位扫描以实现波束控制，相邻阵元间需要补偿的相位差与信号频率有关。实际所用的脉冲信号有一定的频带宽度，即信号频率不是常量，如果相移量不变，随着信号频率的改变，波束的指向会偏移原来理想的情况。为了保证波束指向不发生太严重的偏移，就必须在波束扫描时限制工作频率的大幅度变化，即限制阵列的带宽。但是窄带信号脉冲长度为其带宽的倒数，限制发射带宽的同时也限制了发射信号的最短脉冲长度，然而为了提高距离分辨率又必须减小脉冲长度，这两者之间产生了矛盾；

第五，该系统使用水中的声速来计算流速，并且没有考虑声速随温度不同而变化的影响，因此只能应用在恒温的水流速度测量中。由于没有采用有效的声速补偿措施，当声速改变时，其测量结果会产生较大的偏差。

传统的超声多普勒流量检测技术存在着上述缺陷，因此有必要提供一些新的测量方法，以保证足够高的测量精度。

发明内容

为了解决现有超声多普勒流量检测技术所存在的上述技术问题，本发明的首要目的在于提供一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，并采用相控阵动态波束形成技术、多频点测量、动态调整阵列孔径大小、实时跟踪声速变化的方法，减小流速分布不均匀的影响，同时避免声速随温度改变、干扰和随机噪声造成的测量偏差，有效地提高了测量精度，并采用动态调整发射脉冲长度的方法，适应不同管径大小的测量场合。

本发明的另一目的在于提供多频相控阵超声多普勒流量检测方法。

一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，包括中央控制处理器、频率合成器、发射部分、接收部分和显示器，其中，发射部分包括发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束子阵和第二波束子阵；接收部分包括第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络和信号处理器；所述中央控制处理器分别与频率合成器、发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络、信号处理器连接；发射机、功率分配网络、波束控制网络依次连接，波束控制网络分别与第一波速子阵、第二波束子阵、第一波速接收机和第二波速接收机连接；第一波速接收机和第二波速接收机还分别与多波束形成网络连接，信号处理器的输入端与多波束形成网络和频率合成器连接，信号处理器的输出端与显示器连接。

所述频率合成器根据中央控制处理器提供的发射脉冲载波频率参数信息，在超声换能器阵元的工作频率范围内合成一组不同的发射频率，用于多次测量，分别送至发射机和信号处理器，测量在不同频点下的流速，以消除随机噪声的影响。

所述发射机包括脉冲发生器、调制器、功率放大器，其中，脉冲发生器接收中央控制处理器提供的脉冲重复频率、脉冲长度和脉冲个数等参数信息，由此产生符合要求的脉冲串送至调制器。其中，脉冲长度可以根据管径大小而动态调整，在测量小管道时发射短脉冲信号，以提高距离分辨率，测量大管道时发射长脉冲信号，以提高信噪比。调制器用脉冲发生器送来的脉冲串信号调制频率合成器生成的载波信号，所产生的调制信号送至功率放大器进行功率放大处理，然后再送至功率分配网络。

所述功率分配网络采用强制馈电方式，根据形成两个波束所需的各子阵的功率幅值，将发射机功率耦合到形成两个波束的两个第一级子阵上。

所述波束控制网络包括第一波束的收发开关、功率分配/相加网络，第二波束的收发开关、功率分配/相加网络，若干个可变时延单元，若干个可变可逆移相器。收发开关受中央控制处理器控制，将发射机和接收机互相隔离，在发射时将来自功率分配网络的发射信号馈送至各个子阵单元，在接收时将来自各个子阵单元的接收信号送至接收机。功率分配/相加网络用于将发射机功率按特定需要分配耦合至各个子阵单元上，或者从各个子阵单元上按合成要求采集接收功率至接收机。

所述可变时延单元组成动态时延网络，用于产生各个子阵间所需的动态时延序列。在子阵间插入时延单元主要是为了在空间获得一个不随频率变化的稳定扫描波束，并且子阵共用时延单元可以减小系统复杂度和成本。可变可逆移相器形成各波束指向所需的相位延迟，并结合时延单元产生的动态时延序列，将波束偏转到不同方向，并聚焦到不同的距离单元上。当波束的焦点会聚在某一方向某一距离单元上时，各个阵元聚焦接收来自该距离单元的回波信号，而来自其它距离单元或其它方向上的回波信号会被抑止，可减小非期望信号的干扰。一旦接收完该距离单元的回波信号，各个时延单元产生一组新的时延序列激活各个子阵，各个移相器产生一组新的相位延迟序列激活各个阵元，以形成新的焦点，将波束聚焦到下一个距离单元。波束焦点的移动是沿着波束轴向并与回波同步，其移动速度等于声速。在波束扫描近场区时通过减少阵元数目来减小有效孔径，从而减小波束在近场区的宽度，改善近场区的聚焦分辨力。随着扫描距离的增加，分段增加激活阵元的数目，保证远场区有足够高的分辨力。并且当聚焦距离超过波束近场区和远场区之间的过渡分界线范围时，由于其分辨性能与采用聚焦时的性能几乎一样，因此可以调整波束扫描形式，仅采用单纯的波束偏转而不使用聚焦，减小波束扫描处理的时间，从而减小流速分布随时间快速变化的影响。

所述第一波束子阵和第二波束子阵结构相同，形成两个波束的第一级子阵，并且收发共用。两个第一级子阵分别与各自的波束控制网络连接，分别受各自的动态时延网络控制，以同时形成一个截面内的两个方向的波束，从而减小流速分布随时间快速变化的影响。第一级子阵内部再划分为若干个第二级子阵分别按不同行和列排列，第二级子阵间加入可变时延单元，第二级子阵内部分别由若干个超声换能器和若干个可变移相器组成。其中各个超声换能器为各向同性阵元，并且工作频率有一个范围，在此范围内分别使用多个发射频点测量不同频点下的流速，从而拟合实际的平均流速。超声换能器和移相器相连，并连接至每个第二级子阵的时延单元。第二级子阵的方向图形成单元因子，用移相器使其指向希望的方向，而阵因子的扫描则通过调整与频率无关的时延单元来实现。所有子阵以同样的方法进行控制，整个辐射波瓣是阵因子和单元因子的乘积。发射信号在其带宽内的频率改变只是产生了栅瓣，而不是主波束位置的移动，因此波束扫描不会因信号频率改变而产生严重的偏差。整个阵面结构为一个圆形平面阵，可同时形成两个波束在三维空间进行偏转和聚焦扫描。

所述第一波束和第二波束的偏转通过波束控制网络的控制，当完成某个波束方向的信号发射和接收后，采用大间隔角度扫描的方法，将波束偏转到截面内其他方向进行扫描。具体来说，在与管道轴向成预设角度的测量截面上，首先将第一波束和第二波束分别偏转到和截面中轴线方向成60度和0度的角度进行发射和接收，接着调整波束方向分别偏转到和截面中轴线方向成15度和-45度的角度进行发射和接收，接着调整波束方向分别偏转到和截面中轴线方向成45度和-15度的角度进行发射和接收，以此类推。对于某一方向的波束，来自其他方向上的回波信号会被抑止掉，这样各个方向上的信号之间不会相互影响，可以进一步提高精度，并且可以提高扫描速度。当完成截面内所有波束方向的扫描后，改变第一波束和第二波束与管道轴向之间的角度，使两个波束所形成的截面偏转到其它方向多次测量流量，最后取其平均值，可以减小流速随时间快速变化和随机噪声的影响。

所述第一波束接收机和第二波束接收机结构相同，包括低噪声放大器、模数转换器。低噪声放大器用于将来自子阵单元的微弱回波信号进行放大和增益控制，模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号，便于进行数字信号处理。

所述多波束形成网络采用数字配相方法，按每个相邻波束的指向来确定要补偿的相位值，并根据各个子阵通道信号的幅度差异和降低波束副瓣要求的幅度加权系数来进行幅度调整，以同时形成两个具有任意指向间隔的接收波束。

所述信号处理器包括数字下变频单元、回波信噪比估计单元、多普勒频率估计单元、时延-距离估计单元、声速跟踪单元、流速计算单元、流量计算单元。

其中，所述数字下变频单元将来自两个波束通道的信号的载波去掉，得到只含多普勒频移的量，并通过抽取将数据速率降低，分别得到两个同相和正交分量。

所述回波信噪比估计单元用于在每个发射频点的初始测量时计算出回波信号的信噪比。如果回波信噪比大于预先设定的门限值，表示当前测量的是小管道，需要保证足够的分辨率，则继续以此脉冲长度发射信号并开始测量多普勒频率。如果回波信噪比小于该门限值，则逐渐增大脉冲长度，其增量为一个预先设定好的数值，直到接收到的回波信噪比大于门限值。这样可以保证测量小管道时提高距离分辨率，测量大管道时提高信噪比。

所述时延-距离估计单元在每次脉冲发射后的一定时间内以相同的时间间隔对回波信号进行采样，从而等效地将管道中的液体分成若干层，波束照射到每一层称为一个距离单元。估计出每个发射脉冲的回波信号的时延，从而确定回波信号来自哪个距离单元。

所述多普勒频率估计单元通过对回波信号的自相关计算得出多普勒频移。这里的多普勒频移并不是从一个典型的脉冲长度内的频率变化中测量得到的，而是从每个距离单元的一连串脉冲回波之间的相位变化得到的。

所述声速跟踪单元存储有各种管道材质中的声速数据，可以接受用户输入的管道直径和管道材质信息，并且可以将管道材质信息和相应材质中的声速对应起来。在每个发射频点的初始测量时超声换能器阵列垂直向管道内发射单脉冲信号，估计管道各个界面反射回波信号的时延。由已知的管道直径和管道材质内的声速，估计出流体内的声速，重复多次计算出平均声速。

所述流速计算单元根据多普勒频移和流体内声速，以及波束与管道轴向之间的角度，可以计算出流速。

所述流量计算单元根据计算得出的流速，结合对应的距离信息，通过积分运算可以计算出流量。

中央控制处理器在测量的不同阶段生成带有不同参数的控制信息，以控制各个单元的正常运行：

其中，中央控制处理器根据保存在它内部的发射脉冲频率信息，产生频率参数控制信号送至频率合成器，控制频率合成器产生不同发射频率的信号，用于实现多频点测量；同时，中央控制处理器根据保存在它内部的脉冲重复频率、脉冲长度和脉冲个数等参数信息，产生脉冲控制信号送至发射机内的脉冲发生器，分别控制脉冲发生器产生符合不同要求的脉冲串信号；

在发射时，根据形成两个波束所需的各子阵的功率幅值，中央控制处理器控制分配网络将发射机功率耦合到形成两个波束的两个第一级子阵上；

中央控制处理器控制波束控制网络中的收发开关，在发射和接收两个阶段中将发射机和接收机互相隔离。并且产生功率控制信号送至功率分配/相加网络，使其将发射机功率按特定需要分别耦合至各个子阵单元上，或者从各个子阵单元上按合成要求采集接收功率至接收机；

在测量不同角度和深度时，中央控制处理器分别产生不同的时延单元控制信号和相位延迟控制信号，使时延单元和移相器控制波束偏转到不同方向和不同距离单元上。中央控制处理器根据管道直径、阵列孔径大小和发射信号波长来确定波束聚焦的距离，在近场区采用聚焦方式并动态调整孔径大小以适应近场的扫描。其中，聚焦的方向、聚焦的深度和孔径大小信息由中央控制处理器提供，并且通过计算转换为各个子阵之间的时间延迟和各个阵元的相位延迟，送至各时延单元和移相器。当扫描超过远场和近场之间的过渡分界线时，中央控制处理器将波束扫描形式调整为仅采用单纯的波束偏转而不使用聚焦。当完成截面内本次波束方向所有距离单元的扫描，中央控制处理器便根据保存在它内部的截面内偏转角度信息，控制时延单元和移相器在新的波束方向上扫描。当完成截面内所有预设方向的扫描，中央控制处理器便根据保存在它内部的偏转角度信息，控制时延单元和移相器，以改变两个波束截面与管道轴向之间的角度，从而在新的波束截面上扫描；

在接收阶段，中央控制处理器控制接收机对接收信号进行低噪声放大、模数转换处理。并控制多波束形成网络按每个相邻波束的指向来确定要补偿的相位值，并根据各个子阵通道信号的幅度差异和降低波束副瓣要求的幅度加权系数来进行幅度调整，同时形成两个具有任意指向间隔的接收波束；

根据实际所能测量的管径范围，中央控制处理器将回波信噪比门限值信息送至信号处理器内的回波信噪比估计单元。如果回波信噪比小于该门限值，则由信号处理器产生一个增大发射脉冲长度和脉冲长度增量大小的信息，反馈回中央控制处理器，由中央控制处理器控制脉冲发生器增大发射脉冲长度。

实现本发明另一目的的技术方案，是上述系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1，根据单脉冲回波信号时延，和已知的管道直径、管壁介质内的声速，估计出液体中的声速，重复多次取平均。其中所述单脉冲信号是初始测量时垂直向管道内发射的，并且管道直径已知或者可以通过物理测量得到，而管壁介质已知，所以管壁介质内的声速也可通过查找存储在声速跟踪单元内的各种管道材质中的声速数据而得到；

步骤2，根据系统所能测量的管径范围，确定回波信噪比门限值。在超声换能器阵元的工作频率范围内，以一定的载波频率，垂直向管道内发射K个短脉冲信号，估计回波的信噪比。如果所得信噪比小于预先设定的门限值，则增大脉冲长度，其增量为预先设定的值，直到回波信噪比大于门限值；

步骤3，同时形成两个波束，两个波束之间的角度可以调整。在两个波束与管道轴向之间成预设角度的截面，同时进行两个波束的发射和接收，估计流速并存储起来。如果波束扫描的是近场区，则减小孔径大小，以减小聚焦波束的宽度。随着扫描距离的增大，分段增大孔径大小，继续扫描远场区，估计流速并存储起来；

步骤4，改变聚焦深度以对截面内本次波束方向进行扫描，估计流速并存储起来。当聚焦距离超过波束近场区和远场区之间的过渡分界线范围时，调整波束扫描形式，即仅采用单纯的波束偏转而不使用聚焦，从而减小波束扫描处理的时间。如果已经完成对截面内本次波束方向的所有距离单元的扫描，则改变截面内两个波束的偏转角度，以对其它方向进行扫描，同时估计速度并存储。其中新的波束偏转方向与当前波束方向之间的角度有一个预先设定的较大的间隔，以消除在时间上先后形成的两个波束间的干扰。

步骤5，如果已经扫描完截面内所有预设的方向，则改变两个波束截面与管道轴向之间的角度，以对其它波束截面进行发射和接收，同时估计速度并存储。如果已经扫描完所有预设的波束截面，则基于各个波束方向的速度估计值，计算该频点下的平均流速和流量；

步骤6，在阵列工作频率范围内改变发射脉冲载波频率，重复执行以上步骤，分别测量在不同频点下的流速，直到完成所有预设发射频点的测量；

步骤7，计算所有发射频点下的平均流速，结合对应的距离信息，计算平均流量并送至显示器进行显示。

本发明的作用原理为：

一、采用相控阵技术实现波束偏转和动态聚焦。通过改变各个子阵内的各个可逆移相器之间的相位延迟，以及各子阵间的时间延迟来实现波束控制，将波束偏转到不同方向，并聚焦到不同距离单元上，而无需机械操作。当阵列波束的焦点会聚在某一方向某一距离单元上时，各阵元聚焦接收来自该方向该距离单元的回波信号，而来自其他距离单元或其他方向上的回波信号会被抑止，从而减少非期望回波信号的干扰，可以提高测量精度。一旦接收完该距离单元的回波信号，各个时延单元产生一组新的时延序列激活各个子阵，各个移相器产生一组新的相位延迟序列激活各个阵元，以形成新的焦点，将波束聚焦到下一个距离单元，以此类推直至扫描完这一方向上所有距离单元。也就是说，通过动态改变形成聚焦的时间延迟和相位延迟序列来改变阵列的空间响应，从而使接收焦点沿着波束轴线移动并与回波同步，其移动速度等于声速。当接收完本次脉冲信号在该波束方向上全部距离单元的回波信号后，产生下一个脉冲信号，重复上述过程，直到处理完该波束方向上的全部脉冲及回波信号。由于相控阵技术采用电子控制扫描，扫描速度可大大提高，波束控制迅速灵敏，并且可以在整个管道截面上各个方向进行偏转和在各个深度上进行聚焦，测量精度有比较大的提高。

二、根据管道直径和波束远近场过渡区域之间的关系，动态调整波束扫描的形式，以适应不同管径大小的测量。实际上并非所有情况都适合采用动态聚焦，波束近场和远场之间有一个过渡分界线，其范围用公式表示为：

                     公式(2)

其中，为阵列孔径宽度，

为信号波长。在测量大管道时，当聚焦距离超过该过渡分界线范围，其分辨性能收敛到与只采用波束偏转时几乎一样，并且聚焦扫描需要更多的处理时间来获取数据。因此在聚焦距离达到过渡分界线范围时，调整波束使其仅采用单纯的偏转而不使用聚焦，减少波束扫描的处理时间。

三、采用两个波束同时扫描的方法，减小流速分布的随机扰动。管道中实际的流速分布常常是随时间不断变化的，在空间上分布也并非均匀，单个波束一次只能测量一个波束方向上的流速分布，在形成下一个不同方向上的波束时流速分布有可能已经在这一小段时间有所改变了。因此本发明采用两个波束同时扫描，从而进一步减小流速分布随时间快速变化的影响。

四、采用动态调整阵列孔径大小的方法，改善波束近场区的分辨能力。动态聚焦虽然提高了波束的横向分辨力，但同时增大了阵列平面的有效孔径。孔径的增大使得波束宽度在近场区也增大了，导致波束在近场区的分辨能力大幅降低。因此本发明利用动态改变孔径大小的方法，在近场区扫描时通过减少阵元数目来减小有效孔径，从而减小波束在近场区的宽度。随着扫描距离的增加，分段增加激活阵元的数目，使得波束在远场区的宽度足够窄。这样既可以改善近场区的分辨力，又可以保证中、远场区足够高的分辨力。

五、采用大间隔波束扫描的方法，减小波束间干扰。传统的相控阵超声波检测系统是在一个扇面区域内快速连续扫描波束，由于波束有一定宽度，如果在时间上先后形成的两个波束之间偏转的角度太小并且偏转的速度太快，它们各自照射的区域会有一部分重叠，这样两个波束之间会互相干扰。为了减小各个波束之间的相互干扰，本发明在波束角度的偏转上采用大间隔扫描的方法。具体来说，在波束与管道轴向成预设角度的测量截面上，首先将第一波束和第二波束分别偏转到和截面中轴线方向成60度和0度的角度进行发射和接收，接着调整波束方向分别偏转到和截面中轴线方向成15度和-45度的角度进行发射和接收，接着调整波束方向分别偏转到和截面中轴线方向成45度和-15度的角度进行发射和接收，以此类推。对于某一方向的波束，来自其他方向上的回波信号会被抑止掉，这样各个方向上的信号之间不会相互影响，可以进一步提高精度，并且可以提高扫描速度。

六、调整波束与管道轴向之间的角度，多次测量流速，提高测量精度。当完成截面内所有波束方向的扫描后，改变第一波束和第二波束与管道轴向之间的角度，使两个波束所形成的截面偏转到其它方向，对流速进行多次测量，最后取其平均值，从而可以减小流速随时间快速变化以及随机噪声的影响；

七、采用子阵扫描的方法，子阵内采用移相器进行相位扫描，子阵间加入时延单元，可以在空间获得一个不随频率变化的稳定扫描波束。当回波能量不是垂直入射于阵列时，同相波前与阵列中相邻阵元之间的距离不同而产生波程差。在只采用移相器的相位扫描阵列中，相邻阵元间需要补偿的相位差与信号频率有关。实际上所用的脉冲信号有一定的频带宽度，即信号频率并非理想的常量，如果相移量不变，随着工作频率的改变，波束的指向会偏移原来理想的情况。为了保证波束指向不发生太严重的偏移，就必须在波束扫描时限制工作频率的大幅度变化，从而限制了阵列的带宽，也就是限制了发射信号的最短脉冲长度，因为窄带信号的带宽为脉冲长度的倒数。然而为了提高距离分辨率又必须减小脉冲长度，这两者之间产生了矛盾。因此需要用时间延迟单元而不是移相器来实现波束扫描。但在每一阵元上都使用时间延迟单元是不切实际的，因为它成本和复杂度太高，并且损耗和误差也较大。为了改善信号带宽限制，本发明采用子阵技术，把阵列分成若干个子阵，在子阵间插入时间延迟单元，而在子阵内采用移相器。子阵方向图形成单元因子，用移相器控制扫描到指定方向，它是随频率变化而扫描的，而子阵间的阵因子的扫描则靠调整与频率无关的时延单元来实现。整个辐射波瓣是阵因子和单元因子的乘积。频率的改变只是产生了栅瓣，而不是主波束位置的移动，这样可以保证得到较宽的瞬时带宽。

八、采用动态调整脉冲长度和设置信噪比门限的方法，适应不同管径大小的测量。距离分辨率与发射信号的带宽有关，信号带宽越大，则距离分辨率越高，而脉冲信号长度是信号带宽的倒数。一方面，为了避免距离模糊，有必要减小发射脉冲的长度，以提高距离分辨率。但另一方面，为了增大作用距离，避免发射的脉冲信号在传播过程中衰减严重，同时避免引起速度模糊，又必须增大发射脉冲的长度，保证在不提高发射功率的情况下使回波信号的信噪比不至于减小到影响检测的性能。因此本发明采用动态调整脉冲长度的方法，测量大管道时，发射长脉冲信号，以避免信号衰减严重，从而保证一定的信噪比；测量小管道时，发射短脉冲信号，以提高距离分辨率，并且有利于抑制信号的多径干扰和杂波强度，从而在作用距离和分辨率之间作折衷。具体为，根据系统所能测量的管道直径范围，设置一个信噪比门限值。在初始测量时刻发射短脉冲信号，如果接收到的回波信号信噪比大于该门限，表示当前测量的是小管道，需要保证足够的分辨率，则继续以此短脉冲作为发射信号并开始测量多普勒频率；如果接收到的回波信号信噪比小于该门限值，则逐渐增大脉冲长度，其增量为一个预先设定好的数值，直到接收到的回波信号信噪比大于门限值。这样就可以保证测量小管道时提高距离分辨率，测量大管道时提高信噪比。

九、实时跟踪声速变化，提高测量精度。声速跟踪单元存储有各种管道材质中的声速数据，可以接受用户输入的管道直径和管道材质信息，并且可以将管道材质信息和相应材质中的声速对应起来。在初始测量时垂直向管道内发射单脉冲信号，测量出超声信号在管道外壁、内壁、穿过液体到达管道另一侧的内壁、外壁各个界面上反射的回波信号的时延。根据已知的管道直径、管壁介质中的声速信息，可以计算出管壁厚度和声波在液体中的传播速度。在管壁厚度远小于管道直径的情况下，可以忽略管壁厚度的影响。在接收完本次单脉冲信号的回波后，再发射单脉冲信号，以此类推，重复多次计算出液体中的平均声速。由于管道内的液体温度可能是随时间变化的，而声速也随温度变化，因此可以以一定的时间间隔，也就是在每个频点的初始测量阶段，周期性地通过上述方法测量液体中的声速，以跟踪声速随温度的变化，补偿声速变化带来的计算误差。

十、分别采用多个不同的发射频率进行测量，减小随机噪声的影响。由于每个阵元的工作频率有一个范围，因此可以在这个范围内采用一组不同的频点作为发射信号的频率，分别测量在不同频点下的流速，消除随机噪声的影响，从而更好地拟合实际的平均流速。

由上述技术方案和作用原理可知，本发明将相控阵动态波束扫描技术、多频点测量、动态调整发射脉冲长度以及实时跟踪声速变化的方法引入到超声多普勒流量检测中，通过应用多普勒效应，采用相控阵动态波束扫描、多频点测量、动态调整发射脉冲长度以及实时跟踪声速变化的方法，可对管道中的流体流量进行非接触式测量。与现有技术相比具有如下优点：

1、通过相控阵技术实现波束偏转和动态聚焦，可以在整个管道截面上实现多方向、多深度位置的测量，并且动态调整波束扫描的形式，减少了波束扫描的处理时间，提高了测量精度。

2、在所测量的截面上利用大间隔波束扫描的方法，可以减小各个波束之间的相互干扰，并且同时产生两个波束进行扫描，从而减小流速分布随时间快速变化的影响。

3、采用动态调整阵列孔径大小的方法，既可以改善近场区的分辨力，又可以保证中、远场区足够高的分辨力。

4、通过调整波束与管道轴向之间的角度，多次测量流速并取其平均值，可减小随机噪声带来的测量误差，提高测量精度。

5、采用子阵扫描的方法，子阵内采用移相器进行相位扫描，子阵间加入时延单元，波束扫描不随频率变化，保证得到较宽的瞬时带宽，使得动态调整脉冲长度和多频点测量成为可能，并且节省了系统成本和复杂度。

6、通过动态调整脉冲长度和设置信噪比门限的方法，可以适应不同管径大小的测量，在测量小管道时可提高距离分辨率，测量大管道时提高信噪比。

7、实时跟踪声速随温度的变化，以补偿声速变化带来的计算误差，提高测量精度。

8、采用一组不同的频点作为发射信号的频率，分别测量在不同频点下的流速，消除随机噪声的影响，从而更好地拟合实际的平均流速。

附图说明

图1是本发明的多频相控阵超声多普勒流量检测系统的结构框图；

图2是本发明的发射机的内部结构模块图；

图3是本发明的第一波束的波束控制网络内部结构模块图；

图4是本发明的信号处理器的内部结构模块图；

图5是本发明的多频相控阵超声多普勒流量检测方法的流程图；

图6是本发明的第二级换能器子阵波束偏转和聚焦的示意图；

图7是本发明的子阵波束动态聚焦的示意图；

图8是本发明的波束截面内的大间隔扫描的示意图；

图9是本发明的不同波束扫描截面的示意图；

图10是本发明的不同发射频率的频率分布图；

图11是本发明的声速测量原理的示意图；

图12是本发明的动态调整脉冲长度的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

图1给出了本发明的多频相控阵超声多普勒流量检测系统的结构，包括中央控制处理器1、频率合成器2、发射机3、功率分配网络4、波束控制网络5、第一波束子阵6、第二波束子阵7、第一波束接收机8、第二波束接收机9、多波束形成网络10、信号处理器11、显示器12。中央控制处理器1分别与频率合成器2、发射机3、功率分配网络4、波束控制网络5、第一波束接收机8、第二波束接收机9、多波束形成网络10、信号处理器11、显示器12连接，其中虚线所示为控制信号，实线所示为实际发射和接收的信号。频率合成器2分别连接至发射机3和信号处理器11，发射机3连接至功率分配网络4，功率分配网络4产生两个通道的发射信号连接至波束控制网络5，波束控制网络5分别与第一波束子阵6和第二波束子阵7连接。第一波束子阵6和第二波束子阵7通过波束控制网络5分别与第一波束接收机8和第二波束接收机9连接，再连接至多波束形成网络10，多波束形成网络10与信号处理器11连接，信号处理器11与显示器12连接。

图2是本发明的发射机内部结构模块图，包括脉冲发生器31、调制器32、功率放大器33，其中调制器32与频率合成器2连接，功率放大器33与功率分配网络4连接。

图3是本发明的第一波束的波束控制网络内部结构模块图，包括收发开关51、功率分配/相加网络52、N个可变时延单元、N*M个可变可逆移相器，M是第二级子阵内部的超声换能器阵元个数。收发开关51分别与功率分配网络4、第一波束接收机8、功率分配/相加网络52连接，功率分配/相加网络52连接至N个可变时延单元53，N个可变时延单元53构成第二级子阵，将形成两个波束的第一级子阵内部划分为N个第二级子阵。每个可变时延单元53分别与M个可变可逆移相器54连接，每个移相器54分别与超声换能器阵元连接。其中第一波束与第二波束的波束控制网络具有相同结构，并且都受中央控制处理器1控制。

图4是本发明的信号处理器的内部结构模块图，包括数字下变频单元111、回波信噪比估计单元112、多普勒频移估计单元113、时延-距离估计单元114、声速跟踪单元115、流速计算单元116以及流量计算单元117七个单元。其中频率合成器2连接至数字下变频单元111，多波束形成网络10分别通过第一波束通道和第二波束通道与数字下变频单元111连接，回波信噪比估计单元112连接至多普勒频移估计单元113，多普勒频移估计单元113、时延-距离估计单元114、声速跟踪单元115分别与流速计算单元116连接，流速计算单元116、时延-距离估计单元114分别连接至流量计算单元117，流量计算单元117、流速计算单元116分别连接至显示器12。

以第一波束为例，发射时，图2中的脉冲发生器31接收中央控制处理器1提供的脉冲重复频率、脉冲宽度和脉冲个数等参数信息，产生符合要求的脉冲串信号送至调制器32。同时频率合成器2根据中央控制处理器1提供的发射脉冲载波频率参数信息，产生符合要求的载波信号，送至调制器32。调制器32将脉冲串信号调制到载波频率，由功率放大器33放大后送至功率分配网络4。功率分配网络4将发射机功率耦合到波束控制网络5，收发开关51将来自功率分配网络4的发射信号馈送至第一波束的功率分配/相加网络52，并将功率分配网络4和第一波束接收机8互相隔离，功率分配/相加网络52将发射机功率按特定需要分配耦合至各个子阵单元上。N个可变时延单元53组成动态时延网络，用于产生各个子阵间的动态时延序列。可变可逆移相器54形成各波束指向所需的相位延迟，通过超声换能器阵列将携带有载波频率信息的脉冲串信号发射到流体中，实现波束偏转和聚焦扫描。

接收时，超声换能器各个阵元接收来自流体中某个波束方向各个距离单元的散射体反射回来的回波信号，可逆移相器54和可变时延单元53分别对各个阵元的回波信号进行相位和时延补偿，功率分配/相加网络52将各子阵的回波信号相加后送至收发开关51。收发开关51将功率分配/相加网络52与第一波束接收机8接通，并与功率分配网络4断开，将接收信号送至第一波束接收机8，经过接收机8的低噪声放大和模数转换等处理后送至多波束形成网络10。多波束形成网络10采用数字配相方法，按每个相邻波束的指向来确定要补偿的相位值，并根据各个子阵通道信号的幅度差异和降低波束副瓣要求的幅度加权系数来进行幅度调整，以同时形成两个具有任意指向间隔的接收波束，每一个接收波束输出通道分别连接信号处理器11。

在信号处理器11模块内，首先两个波束通道的信号通过数字下变频单元111，将载波去掉，得到只含多普勒频移的量，并通过抽取将数据速率降低，分别得到两个同相和正交分量。回波信噪比估计单元112在每个发射频点的初始测量时判断是否需要增大发射脉冲长度，如果接收到的回波信号信噪比大于预先设定的门限值，则继续以当前的短脉冲作为发射信号并开始测量多普勒频率；如果接收到的回波信号信噪比小于门限值，则逐渐增大脉冲长度，直到接收到的回波信号信噪比大于门限值。多普勒频率估计单元113通过对回波信号的自相关计算得出多普勒频移。时延-距离估计单元114在每次脉冲发射后的一定时间内以相同的时间间隔进行采样，从而等效地将管道中的液体分成若干层，波束照射到每一层称为一个距离单元。估计出每个发射脉冲的回波信号的时延，从而确定回波信号来自哪个距离单元。声速跟踪单元115在每个发射频点的初始测量时垂直向管道内发射单脉冲信号，估计管道各个界面反射回波信号的时延，估计出声速，重复多次计算出平均声速。由多普勒频移和声速，以及波束与管道轴向之间的角度，流速计算单元116可以计算出流速。结合对应的距离信息，流量计算单元117通过积分运算可以计算出流量。在阵列工作频率范围内，通过频率合成器2改变发射脉冲载波频率，分别多次测量得到多个流量数据，计算出平均流量并送显示器12.

图5是本发明的多频相控阵超声多普勒流量检测方法的流程图，主要包括以下步骤：

步骤1，垂直向管道内发射单脉冲信号，测量出脉冲信号在管道外壁、内壁、穿过液体到达管道另一侧的内壁、外壁各个界面上反射的回波信号的时延，根据已知的管道直径和管道介质内的声速，估计出液体中的声速，重复L次取平均；

步骤2，以预设的发射信号载波频率，垂直向管道内发射K个脉冲信号，估计回波的信噪比。如果所得信噪比低于预先设定的门限值，则增大脉冲长度，其增量为预先设定的值，并跳回到步骤2继续执行。如果信噪比高于门限值，则进行下一步处理；

步骤3，在与管道轴向成预设角度的截面，进行两个波束的扫描，估计速度并存储。如果波束扫描的是近场区，则减小孔径大小，以减小波束宽度。如果波束扫描的是远场区，则随着扫描距离的增大，分段增大孔径大小，继续扫描远场区，估计速度并存储；

步骤4，改变聚焦深度以对截面内本次波束方向进行扫描，估计速度并存储。当聚焦距离超过波束近场区和远场区之间的过渡分界线范围时，调整波束扫描形式，即仅采用单纯的波束偏转而不使用聚焦，减小波束扫描处理的时间。如果已经扫描完截面内本次波束方向的所有距离单元，则改变截面内波束的偏转角度，以对其它方向进行扫描，同时估计速度并存储，其中新的波束偏转方向与当前波束方向之间的角度有一个预先设定的较大的间隔。如果已经扫描完截面内所有预设的方向，则改变两个波束截面的偏转角度，以对其它波束截面进行扫描，同时估计速度并存储。如果已经扫描完所有预设的波束截面，则基于各个波束方向的速度估计值，计算该频点下的平均流速和流量；

步骤5，在阵列工作频率范围内改变发射脉冲载波频率，重复执行以上步骤，直到完成所有预设发射频点的测量；

步骤6，计算所有发射频点下的平均流速，计算平均流量并送至显示器进行显示。

图6是本发明的第二级换能器子阵波束偏转和聚焦的示意图。其中子阵61是形成第一波束的第二级子阵，子阵内的可变移相器54可以用可变时延单元代替。中央控制处理器1控制与该子阵连接的各个可变移相器54之间的相位差，使波束偏转到α角度并聚焦到不同的距离单元上。焦点分别为F1～Fn，每个焦点沿着波束轴线移动，其速度等于声波在流体介质中的速度，以跟踪回波信号。在聚焦到某个焦点时，该焦点上的回波将在相位上进行同步相加，以产生最大值。来自各个焦点位置上的回波信号反射回换能器阵列，每个阵元接收到的回波信号都通过可变移相器，以实现等效的时延控制，经过相加后送至接收机进行进一步处理。

图7是本发明的子阵波束动态聚焦的示意图，为了便于说明，在各个阵元间补偿的相位延迟用等效时延来代替，其效果与采用相位延迟一致，并且激活的阵元用阴影表示。由于动态聚焦增大了发射和接收时阵列平面的有效孔径，孔径的增大使得波束宽度在近场区也随之增大了，这样在阵列平面近场区的分辨能力大幅降低。因此本发明利用动态改变孔径大小的方法，在扫描近场区时通过减少阵元数目来减小有效孔径，从而减小波束在近场区的宽度。如图7(a)所示，在靠近子阵61的近场区域扫描时，只激活子阵61中间的6个阵元，使得所形成的波束较窄，可以改善近场区的分辨力。如图7(b)～7(e)所示，随着扫描距离的增加，分段增加激活阵元的数目，可以保证中、远场区有足够高的分辨力。如图7(f)所示，当以较高的扫描速度应用多个时延序列时，多个焦点的集合形成一条长而窄的波束，从而可以提高波束的横向分辨率。

当完成某个波束方向的信号发射和接收后，将波束偏转到截面内其他方向进行扫描。图8是本发明的波束大间隔扫描的截面示意图，该截面与管道14的轴向成一定的偏转角度。将换能器阵列13划分为左右两个第一级子阵，每个第一级子阵形成一个波束，两个波束在同一截面内扫描，其中第一波束和第二波束分别扫描截面中轴线的左边和右边。实际产生的波束有一定的宽度，为了便于说明，图8中的各条射线为波束的中轴线。为了提高扫描速度，减小在时间上先后形成的各个波束之间的相互干扰，本发明在波束角度的偏转上采用大间隔扫描的方法。具体来说，在与管道14的轴向成预设角度的测量截面上，首先将第一波束和第二波束分别偏转到和截面中轴线方向成60度和0度的角度进行发射和接收，接着调整波束方向分别偏转到和截面中轴线方向成15度和-45度的角度进行发射和接收，接着调整波束方向分别偏转到和截面中轴线方向成45度和-15度的角度进行发射和接收，以此类推，第一波束和第二波束对应的9个偏转角度顺序如表1所示：

表1 本发明所述第一波束和波束的偏转角度

1

2

3

4

5

6

7

8

9

第一波束

60O

15O

45O

0O

30O

52.5O

7.5O

37.5O

22.5O

第二波束

0O

-45O

-15O

-60O

-30O

-7.5O

-52.5O

-22.5O

-37.5O

由于各个扫描波束之间的偏转角度较大，对于某一方向的波束，来自其他方向上的回波信号会被抑止掉，这样各个方向上的信号之间不会相互影响，可以进一步提高精度，并且可以提高扫描速度，减小流速分布随时间快速变化造成的影响。

当完成截面内所有波束方向的扫描后，改变第一波束和第二波束与管道轴向之间的角度，使两个波束所形成的截面偏转到其它方向进行扫描。图9是本发明的不同波束扫描截面的示意图。换能器阵列13形成的波束与管道14的轴向之间的夹角θ范围为－75^O ～-30^O，30^O～75^O。在完成一个波束扫描截面的测量后，将波束偏转到另一个扫描截面上进行发射和接收，通过改变波束与管道轴向之间的夹角θ，使θ分别为30^O、45^O、60^O、75^O、－75^O、－60^O、－45^O、－30^O，分别在这些角度所成的截面内多次测量流速，最后取其平均值，可以减小流速随时间快速变化和随机噪声的影响。

图10是本发明的不同发射频率的频率分布图。每个超声换能器阵元的中心频率为f，其工作频率有一个范围为f-nΔf～f+nΔf，Δf为各发射频点之间的间隔。由于通常管道直径范围为若干厘米至若干米，典型的中心频率可以选取为1MHz，其工作频率为0.8MHz～1.2MHz，各频点之间的间隔Δf可选取为50kHz。如图2所示，通过频率合成器2在此工作频率范围内合成一组不同的频率，作为发射信号的载波频率用于多次测量，分别测量在不同频点下的流速和流量，消除随机噪声的影响，从而更好地拟合实际的平均流速。

图11是本发明的声速测量原理的示意图。其中管道14的直径已知为D，管壁厚度为d，流体中的声速为c，由于管壁材质已知，因此管壁介质内的声速已知为c’。在初始测量阶段，换能器阵列13垂直向管道发射单脉冲信号，分别测量出脉冲信号在管道外壁、内壁上反射的回波信号的时延t1，穿过液体到达管道另一侧的内壁、外壁上反射的回波信号的时延t2，以及全部回波信号的总时延t，则流体中的声速c估计为：

重复测量L次取平均以减小随机噪声的影响。每次改变发射信号的载波频率后的初始测量阶段，都对声速进行估计，以实现对声速变化的跟踪，减小流体温度变化对声速的影响。

图12是本发明的动态调整脉冲长度的示意图。根据系统所能测量的管道直径范围，设置一个信噪比门限值，在初始测量时刻垂直向管道发射短脉冲信号，其长度为T，通常为几μs至几十μs的范围。如果接收到的回波信号信噪比大于该门限，表示当前测量的是小管道，需要保证足够的分辨率，则继续以此短脉冲作为发射信号并开始测量多普勒频率。如果接收到的回波信号信噪比小于该门限值，则逐渐增大脉冲长度，其增量为一个预先设定好的数值ΔT，直到接收到的回波信号信噪比大于门限值。这样就可以保证测量小管道时提高距离分辨率，测量大管道时提高信噪比。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实验方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都就涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于包括中央控制处理器、频率合成器、发射部分、接收部分和显示器，其中，发射部分包括发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束子阵和第二波束子阵；接收部分包括第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络和信号处理器；所述中央控制处理器分别与频率合成器、发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络、信号处理器连接；发射机、功率分配网络、波束控制网络依次连接，波束控制网络分别与第一波速子阵、第二波束子阵、第一波速接收机和第二波速接收机连接；第一波速接收机和第二波速接收机还分别与多波束形成网络连接，信号处理器的输入端与多波束形成网络和频率合成器连接，信号处理器的输出端与显示器连接。

2.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述频率合成器根据中央控制处理器提供的发射脉冲载波频率参数信息，在超声换能器阵元的工作频率范围内合成一组不同的发射频率，用于多次测量，分别送至发射机和信号处理器，测量在不同频点下的流速，以消除随机噪声的影响。

3.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述发射机包括脉冲发生器、调制器和功率放大器，脉冲发生器接收中央控制处理器提供的脉冲重复频率、脉冲长度和脉冲个数参数信息，由此产生符合要求的脉冲串送至调制器，所述脉冲长度根据管径大小而动态调整，在测量小管道时发射短脉冲信号，以提高距离分辨率，测量大管道时发射长脉冲信号，以提高信噪比；调制器用脉冲发生器送来的脉冲串信号调制频率合成器生成的载波信号，所产生的调制信号送至功率放大器进行功率放大处理，然后再送至功率分配网络；所述功率分配网络采用强制馈电方式，根据形成两个波束所需的各子阵的功率幅值，将发射机功率耦合到形成两个波束的两个第一级子阵上。

4.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述波束控制网络包括第一波束的收发开关、功率分配/相加网络，第二波束的收发开关、功率分配/相加网络，若干个可变时延单元，和若干个可变可逆移相器；收发开关受中央控制处理器控制，将发射机和接收机互相隔离，在发射时将来自功率分配网络的发射信号馈送至各个子阵单元，在接收时将来自各个子阵单元的接收信号送至接收机；功率分配/相加网络用于将发射机功率按特定需要分配耦合至各个子阵单元上，或者从各个子阵单元上按合成要求采集接收功率至接收机；所述可变时延单元组成动态时延网络，用于产生各个子阵间所需的动态时延序列；可变可逆移相器形成各波束指向所需的相位延迟，并结合时延单元产生的动态时延序列，将波束偏转到不同方向，并聚焦到不同的距离单元上；

当波束的焦点会聚在某一方向某一距离单元上时，各个阵元聚焦接收来自该距离单元的回波信号，而来自其它距离单元或其它方向上的回波信号会被抑止；一旦接收完该距离单元的回波信号，各个时延单元产生一组新的时延序列激活各个子阵，各个移相器产生一组新的相位延迟序列激活各个阵元，以形成新的焦点，将波束聚焦到下一个距离单元；波束焦点的移动是沿着波束轴向并与回波同步，其移动速度等于声速。

5.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述第一波束子阵和第二波束子阵结构相同，形成两个波束的第一级子阵，并且收发共用；两个第一级子阵分别与各自的波束控制网络连接，分别受各自的动态时延网络控制，以同时形成一个截面内的两个方向的波束，从而减小流速分布随时间快速变化的影响；所述第一级子阵内部再划分为若干个第二级子阵分别按不同行和列排列，第二级子阵间加入可变时延单元，第二级子阵内部分别由若干个超声换能器和若干个可变移相器组成；其中各个超声换能器为各向同性阵元，并且工作频率有一个范围，在此范围内分别使用多个发射频点测量不同频点下的流速，从而拟合实际的平均流速；超声换能器和移相器相连，并连接至每个第二级子阵的时延单元，第二级子阵的方向图形成单元因子，用移相器使其指向希望的方向，而阵因子的扫描则通过调整与频率无关的时延单元来实现；所有子阵以同样的方法进行控制，整个辐射波瓣是阵因子和单元因子的乘积。

6.根据权利要求5所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述第一波束和第二波束的偏转通过波束控制网络的控制，当完成某个波束方向的信号发射和接收后，采用大间隔角度扫描的方法，将波束偏转到截面内其他方向进行扫描。

7.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述第一波束接收机和第二波束接收机结构相同，包括低噪声放大器、模数转换器，低噪声放大器用于将来自子阵单元的微弱回波信号进行放大和增益控制，模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号，便于进行数字信号处理。

8.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述多波束形成网络采用数字配相方法，按每个相邻波束的指向来确定要补偿的相位值，并根据各个子阵通道信号的幅度差异和降低波束副瓣要求的幅度加权系数来进行幅度调整，以同时形成两个具有任意指向间隔的接收波束；

所述信号处理器包括数字下变频单元、回波信噪比估计单元、多普勒频率估计单元、时延-距离估计单元、声速跟踪单元、流速计算单元、流量计算单元，

其中，所述数字下变频单元将来自两个波束通道的信号的载波去掉，得到只含多普勒频移的量，并通过抽取将数据速率降低，分别得到两个同相和正交分量；

所述回波信噪比估计单元用于在每个发射频点的初始测量时计算出回波信号的信噪比，如果回波信噪比大于预先设定的门限值，表示当前测量的是小管道，需要保证足够的分辨率，则继续以此脉冲长度发射信号并开始测量多普勒频率；如果回波信噪比小于该门限值，则逐渐增大脉冲长度，其增量为一个预先设定好的数值，直到接收到的回波信噪比大于门限值，这样可以保证测量小管道时提高距离分辨率，测量大管道时提高信噪比；

所述时延-距离估计单元在每次脉冲发射后的一定时间内以相同的时间间隔对回波信号进行采样，从而等效地将管道中的液体分成若干层，波束照射到每一层称为一个距离单元；通过估计出每个发射脉冲的回波信号的时延，从而确定回波信号来自哪个距离单元；

所述多普勒频率估计单元通过对回波信号的自相关计算得出多普勒频移；所述声速跟踪单元存储有各种管道材质中的声速数据，能接受用户输入的管道直径和管道材质信息，并且能将管道材质信息和相应材质中的声速对应起来；在每个发射频点的初始测量时超声换能器阵列垂直向管道内发射单脉冲信号，估计管道各个界面反射回波信号的时延，由已知的管道直径和管道材质内的声速，估计出流体内的声速，重复多次计算出平均声速；

所述流速计算单元根据多普勒频移和流体内声速以及波束与管道轴向之间的角度，计算出流速；

所述流量计算单元根据计算得出的流速，结合对应的距离信息，通过积分运算计算出流量。

9.根据权利要求1～8任一项所述的多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述中央控制处理器在测量的不同阶段生成带有不同参数的控制信息，以控制与其连接的各个单元的运行，具体包括：

中央控制处理器根据保存在它内部的发射脉冲频率信息，产生频率参数控制信号送至频率合成器，控制频率合成器产生不同发射频率的信号，用于实现多频点测量；同时，中央控制处理器根据保存在它内部的脉冲重复频率、脉冲长度和脉冲个数参数信息，产生脉冲控制信号送至发射机内的脉冲发生器，分别控制脉冲发生器产生符合不同要求的脉冲串信号；

在发射时，中央控制处理器根据形成两个波束所需的各子阵的功率幅值，控制功率分配网络将发射机功率耦合到形成两个波束的两个所述波速子阵上；

中央控制处理器控制波束控制网络中的收发开关，在发射和接收两个阶段中将发射机和接收机互相隔离，并且产生功率控制信号送至功率分配/相加网络，使其将发射机功率按需要分别耦合至各个子阵单元上，或者从各个子阵单元上按合成要求采集接收功率至接收机；

在测量不同角度和深度时，中央控制处理器分别产生不同的时延单元控制信号和相位延迟控制信号，使时延单元和移相器控制波束偏转到不同方向和不同距离单元上；中央控制处理器根据管道直径、阵列孔径大小和发射信号波长来确定波束聚焦的距离，在近场区采用聚焦方式并动态调整孔径大小以适应近场的扫描，其中，聚焦的方向、聚焦的深度和孔径大小信息由中央控制处理器提供，并且通过计算转换为各个子阵之间的时间延迟和各个阵元的相位延迟，送至各时延单元和移相器；当扫描超过远场和近场之间的过渡分界线时，中央控制处理器将波束扫描形式调整为仅采用单纯的波束偏转而不使用聚焦；当完成截面内本次波束方向所有距离单元的扫描，中央控制处理器便根据保存在它内部的截面内偏转角度信息，控制时延单元和移相器在新的波束方向上扫描；当完成截面内所有预设方向的扫描，中央控制处理器便根据保存在它内部的偏转角度信息，控制时延单元和移相器，以改变两个波束截面与管道轴向之间的角度，从而在新的波束截面上扫描；

在接收阶段，中央控制处理器控制接收机对接收信号进行低噪声放大、模数转换处理，并控制多波束形成网络按每个相邻波束的指向来确定要补偿的相位值，并根据各个子阵通道信号的幅度差异和降低波束副瓣要求的幅度加权系数来进行幅度调整，同时形成两个具有任意指向间隔的接收波束；

根据实际所能测量的管径范围，中央控制处理器将回波信噪比门限值信息送至信号处理器内的回波信噪比估计单元；如果回波信噪比小于该门限值，则由信号处理器产生一个增大发射脉冲长度和脉冲长度增量大小的信息，反馈回中央控制处理器，由中央控制处理器控制脉冲发生器增大发射脉冲长度。

10.权利要求1～9任一项所述的多频相控阵超声多普勒流量检测系统的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，根据单脉冲回波信号时延，和已知的管道直径、管壁介质内的声速，估计出液体中的声速，重复多次取平均；其中所述单脉冲信号是初始测量时垂直向管道内发射的，并且管道直径已知或者可以通过物理测量得到，而管壁介质已知，所以管壁介质内的声速也可通过查找存储在声速跟踪单元内的各种管道材质中的声速数据而得到；

步骤2，根据系统所能测量的管径范围，确定回波信噪比门限值；在超声换能器阵元的工作频率范围内，以一定的载波频率，垂直向管道内发射K个短脉冲信号，估计回波的信噪比，如果所得信噪比小于预先设定的门限值，则增大脉冲长度，其增量为预先设定的值，直到回波信噪比大于门限值；

步骤3，同时形成两个波束，两个波束之间的角度可以调整；在两个波束与管道轴向之间成预设角度的截面，同时进行两个波束的发射和接收，估计流速并存储起来，如果波束扫描的是近场区，则减小孔径大小，以减小聚焦波束的宽度；随着扫描距离的增大，分段增大孔径大小，继续扫描远场区，估计流速并存储起来；

步骤4，改变聚焦深度以对截面内本次波束方向进行扫描，估计流速并存储起来；当聚焦距离超过波束近场区和远场区之间的过渡分界线范围时，调整波束扫描形式，即仅采用单纯的波束偏转而不使用聚焦，从而减小波束扫描处理的时间，如果已经完成对截面内本次波束方向的所有距离单元的扫描，则改变截面内两个波束的偏转角度，以对其它方向进行扫描，同时估计速度并存储，其中新的波束偏转方向与当前波束方向之间的角度有一个预先设定的较大的间隔，以消除在时间上先后形成的两个波束间的干扰；

步骤5，如果已经扫描完截面内所有预设的方向，则改变两个波束截面与管道轴向之间的角度，以对其它波束截面进行发射和接收，同时估计速度并存储；如果已经扫描完所有预设的波束截面，则基于各个波束方向的速度估计值，计算该频点下的平均流速和流量；

步骤6，在阵列工作频率范围内改变发射脉冲载波频率，重复执行以上步骤，分别测量在不同频点下的流速，直到完成所有预设发射频点的测量；

步骤7，计算所有发射频点下的平均流速，结合对应的距离信息，计算平均流量并送至显示器进行显示。

Images