CN102103147B - 超声自相关横向流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声自相关横向流速测量方法，它利用单探测声束直接准确地测量与探测超声发射方向的垂直方向上的流速分量，即横向流速。这种利用超声直接测量横向流速的方法，不用知道超声束和粒子移动方向的夹角，当有粒子穿过超声聚焦区域时，产生较强的超声反射信号，由超声反射信号的归一化自相关函数，得到粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间，用超声聚焦区域的横向宽度除以渡越时间，即是横向流速。

Description

超声自相关横向流速测量方法

技术领域

本发明涉及超声检测流速技术领域，特别涉及一种超声自相关横向流速测量方法，此处流速指的是含固态粒子的流体的流速。

背景技术

流速测量在医学和工业领域有广泛的应用，如水流监测，血流测量等。目前常用的测量方法是多普勒超声技术，这种方法是根据多普勒效应，通过计算流动粒子对入射超声的多普勒频移，而计算出粒子的移动速度。超声多普勒频移正比于超声束和粒子流速方向的夹角的余弦值，因此，多普勒超声技术只能给出流速在探测声束方向的流速分量，即纵向流速，而无法给出和探测声束垂直的流速分量，即横向流速。为了解决此问题，余建国等提出双超声束多普勒血流速度测量方法(中国专利公开号：CN1257695)，叶国帆提出双向定量测量血流绝对速度的超声多普勒方法与仪器(中国专利公开号：CN85100528)，这两种方法都是利用多普勒效应及双探测超声束，进行绝对速度测量。但是当流速方向和探测声束方向接近垂直时，多普勒角接近九十度，因此引起的多普勒频移很小，会导致较大的检测误差。

发明内容

本发明目的在于提出一种超声自相关横向流速测量方法，它利用单探测声束直接准确地测量与探测超声发射方向的垂直方向上的流速分量。

本发明所提出的技术解决方案是这样的：一种超声自相关横向流速测量方法，这里的流速指的是含固态粒子的流体(6)的流速，包括有：第1超声聚焦换能器(1)、第2超声聚焦换能器(2)、信号采集及处理系统(5)、归一化自相关运算，第1超声聚焦换能器(1)和第2超声聚焦换能器器(2)聚焦位置相同，第1超声聚焦换能器(1)发射聚焦超声(3)，当有粒子穿过超声聚焦区域时，产生较强的超声反射信号(4)，由第2超声聚焦换能器(2)接受，由信号采集及处理系统(5)进行信号采集并计算超声反射信号f(t)的归一化自相关函数，得到沿探测超声发射方向的垂直方向上的流速分量，即横向流速，由粒子反射的超声反射信号f(t)得到粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间τ₀，则横向流速为V＝L/τ₀，这里L是超声聚焦区域的横向宽度，参见图1所示。

粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间τ₀通过下列方式获得：由粒子反射的超声反射信号f(t)的归一化自相关函数计算粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间τ₀，粒子超声反射信号f(t)的归一化自相关函数的斜率的倒数等于粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间τ₀，如公式(1)所示，

$\frac{R\left(\mathrm{\τ}\right)}{R\left(0\right)}=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right)f(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}}{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}f\left(t\right)f\left(t\right)\mathrm{dt}}$

$=1-\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\τ}}_0}---\left(1\right)$

在公式(1)，f(t)为测量到的超声反射信号，τ₀为粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间，τ为自相关计算中的时间延迟。则横向流速为V＝L/τ₀，这里L是超声聚焦区域的横向宽度。

本发明的原理如图2所示，在图2中，弧线(7)和弧线(8)之间的区域表示放大的第1超声聚焦换能器(1)和第2超声聚焦换能器(2)两者聚焦区域重合之处，即探测区域(9)，探测区域(9)的腰宽L大于粒子尺寸。当没有粒子流过探测区域(9)时，由探测区域(9)反射回去的超声很弱，当有粒子穿过探测区域(9)时，会有较强的超声反射，因此第2超声聚焦换能器(2)会接受到一个较强的脉冲信号，当粒子移动速度较慢时，粒子穿过探测区域(9)的时间较长，产生的脉冲信号的脉宽较大，当粒子移动速度较快时，粒子穿过探测区域(9)的时间较短，产生的脉冲信号的脉宽较窄，脉冲信号的脉宽等于粒子穿过探测区域(9)的时间，即渡越时间τ₀。超声聚焦换能器器(2)也可以接收到在探测区域(9)之外的粒子反射的超声信号，但是由于处于探测区域(9)之外的粒子反射的超声信号远小于探测区域(9)内部粒子反射的超声信号，因此，探测区域(9)之外的粒子反射的超声信号可以忽略，所以，脉冲信号的宽度就等于粒子经过探测区域(9)的渡越时间τ₀。如公式(1)所示，超声反射信号的归一化自相关函数的斜率的倒数等于脉冲信号的脉宽。因此如果知道探测区域(9)的宽度L，如图(2)所示，那么就可以知道粒子穿过探测区域(9)的速度，即流速V＝L/τ₀。

当粒子流动方向和探测区域(9)垂直时，如图3(a)所示，箭头表示粒子的流动方向，L是探测区域(9)的横向宽度，则这时测量的速度V＝L/τ₀，和探测声束垂直，即测量的是和探测声束垂直的流速，即横向流速。当粒子流动方向和探测声束不垂直时，如图3(b)所示，箭头表示粒子的流动方向，粒子在探测区域(9)中实际经过的距离为L₁，因此粒子的绝对速度为V＝L₁/τ₀，那么粒子的横向速度为cos(θ)L₁/τ₀，而cos(θ)L₁/τ₀等于L/τ₀。因此，不论粒子的运动方向是否和探测声束垂直，由公示V＝L/τ₀得到的就是粒子的横向速度，L是超声探测区域(9)的横向宽度，这就是本方法的基本原理。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

由于本发明不是基于多普勒效应，因此避免了目前的基于多普勒效应的流速测量方法的缺陷，可以有效的测量横向流速。基于多普勒效应的流速测量方法适合于测量纵向流速，而本发明的方法适合于测量横向流速，二者结合，就可以给出粒子的绝对流速，而不用知道探测声束和粒子移动方向的夹角。

本发明在医学和工业领域有广泛的应用，可用于进行含固态粒子的流体的流速测量，如水流监测、烟尘气流速度检测、血流测量等。

附图说明

图1是本发明超声自相关横向流速测量方法示意图。

图2是图1所示测量方法的原理图，图中表示放大的探测区域，显示了粒子流过探测区域时的情况。

图3是本发明的原理图，在放大的探测区域中，显示了粒子垂直流过探测区域图3(a)和非垂直流过探测区域图3(b)时的情况。

图4是本发明一个实施例的示意图。

具体实施方式

通过下面实施例对本发明作进一步详细阐述。

参见图4所示，待测样品(12)为待测的含固态粒子的水流，计算机(11)通过控制超声控制器(10)来控制第1超声聚焦换能器(1)发射聚焦的脉冲超声(3)，粒子反射的超声(4)由第2超声聚焦换能器(2)接收，并通过信号采集及处理系统(5)传给计算机(11)，设采集到的信号为f(t)，用公式(1)计算信号f(t)的归一化自相关函数，f(t)的归一化自相关函数的斜率的倒数等于粒子穿过超声探测区域的渡越时间τ₀，则横向流速为V＝L/τ₀，这里L是超声探测区域(9)宽度L。

探测区域(9)宽度L由以下方法测量：用一个已知流速为V₁的粒子流作为样品，首先，调节探测声束和粒子流动方向接近垂直，这个由多普勒频移进行判断，调节探测声束的方向，当多普勒频移接近零时，这时粒子的运动方向和探测声束接近垂直。则按照上述同样的方法，测量得到粒子穿过探测区域(9)的时间τ₁，则可以得到探测区域(9)的宽度L＝v₁τ₁。

因此，待测样品(12)的横向流速为v₁τ₁/τ₀。

这里请注意，探测区域(9)宽度L是系统参数，用一个流速已知的样品进行一次实验即可确定。

Claims (2)

1.一种超声自相关横向流速测量方法，用第1超声聚焦换能器(1)发射聚焦超声(3)，当有粒子穿过超声聚焦区域时，产生较强的超声反射信号(4)，由第2超声聚焦换能器(2)接收，第1超声聚焦换能器(1)和第2超声聚焦换能器(2)聚焦位置相同，由信号采集及处理系统(5)进行信号采集并计算超声反射信号f(t)的归一化自相关函数，得到沿探测超声发射方向的垂直方向上的流速分量，即横向流速，其特征在于：由粒子反射的超声反射信号f(t)得到粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间τ₀，则横向流速为V＝L/τ₀，这里L是超声聚焦区域的横向宽度。

2.根据权利要求1所述的超声自相关横向流速测量方法，其特征在于：所述粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间τ₀通过下列方式获得：由粒子反射的超声反射信号f(t)的归一化自相关函数计算粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间τ₀，粒子超声反射信号f(t)的归一化自相关函数的斜率的倒数等于粒子穿过超声聚焦区域的渡越时间τ₀。

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