CN102879309B - 基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置，测量方法包括：利用线性调频信号（LFM）构造测量信号，将测量信号进行数模转换后从发射超声换能器阵列发射出去；接收超声换能器阵列检测超声信号，得到接收信号；对接收信号进行模数转换，进而对接收信号进行谱估计，得到接收信号的衰减谱；对得到的衰减谱进行分析，从频率确定相应颗粒的线度，从该频率的频谱幅度根据数学建模或经验公式确定对应线度颗粒的浓度。实现所述方法的装置包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块和测量腔。本发明具有适用范围广，测量精度高，装置简单，成本低廉，使用方便等优点。

Description

基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置

技术领域

本发明涉及气体颗粒浓度测量技术领域，具体涉及基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置。

背景技术

近年空气污染日益严重，人类生产生活中排放的有毒、有害物质严重影响着空气质量。同时，人类环保意识有所提高，因此人们越来越重视对空气质量的监控，也就提出了对气体中颗粒浓度测量的需求。另外，气体颗粒浓度测量对气候变化研究和火山检测等领域都有广泛的应用。目前常用的颗粒浓度测量方法有林格曼黑度法、采样法、电容法、电荷法、射线法、过程层析成像法、光学方法、超声法等。其中林格曼黑度法和采样法属于离线监测的方法，林格曼黑度法指人工观察烟尘黑度并与林格曼黑度表比较确定烟尘浓度，这种方法只能给出一个相对大小的估值，精度低，而且只适用于燃煤烟尘排放的定性测量；采样法指按照等速原则抽取一定体积的代表性烟气，将采集的固体颗粒称重，用所称重量除以气体体积得出浓度，该方法的等速原则往往难以实现，而且不能进行连续的测量。在实时在线监测的方法中，电容法和电荷法指利用颗粒浓度与电容量和静电荷量的相关性，通过检测电容量和电荷量从而测出浓度，这两种方法受到颗粒的物理性质和气体传送条件影响，而且是干扰式测量；射线法指通过测量透过介质的辐射线的衰减来测量浓度，这种方法存在放射性辐射泄露的危险，因此设备贵、对操作人员要求高；过程层析成像法指通过获取管道中传输的多组分混合物的可视化图像来测量颗粒浓度三维分布的方法，这种方法实现起来比较复杂。

另外较为常用的光学法则是利用光的衰减和散射来测量颗粒浓度，具体包括浊度法、光脉动法和散射法等，但是光学设备精细、设备成本高，而且在高浓度颗粒测量中光的衰减非常严重，因此也限制了光学法在一些场景中的应用。超声法是利用声波在气体中传播，根据声衰减、颗粒对声的散射等效应测出颗粒浓度，超声法穿透性比光好，适合用于高浓度颗粒测量，而且设备成本也比光学设备低，并且具有较宽的频率范围，因此超声法有其突出的优越性。可是，虽然超声有较宽的频率范围，但目前利用超声测量颗粒浓度的方法中大部分利用单频信号或者窄脉冲信号（CN201096703），虽然窄脉冲信号有宽频特性但它并不容易产生，而且不是频谱等幅宽频信号；另外即使有宽频信号，目前的测量装置大部分利用一个换能器，收发信号的带宽受到换能器限制。因此目前的超声测量方法和装置在发挥超声的宽频性方面有待改善，难以较为全面测量气体中各种粒子的浓度，不能全面测量气体中颗粒分布。

本发明基于宽频带LFM（线性调频）超声信号的气体颗粒浓度测量方法与装置，可以很好地解决目前技术的不足。由于本发明利用LFM信号作为测量信号以及利用换能器阵列收发，因此可以实现近似频谱等幅宽频的测量信号，并且容易产生与收发。另外，本发明的装置利用吸声材料，进一步提高测量的精度。

发明内容

    本发明的目的在于克服现有基于超声法测量气体颗粒浓度的方法及测量装置难以产生与收发宽带信号的不足，提供基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置。该方法利用LFM超声信号构造测量信号，通过对接收信号进行谱分析，根据衰减频谱测量出气体中各种尺寸的颗粒浓度。另外，本发明装置利用吸声材料提高测量精度。本发明通过以下技术方案实现。

基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法，包括如下步骤：第一，利用线性调频信号（LFM）构造测量信号，将测量信号进行数模转换后从发射超声换能器阵列发射出去；第二，接收超声换能器阵列检测超声信号，得到接收信号；第三，对接收信号进行模数转换，进而对接收信号进行谱估计，得到接收信号的衰减谱；第四，对得到的衰减谱进行分析，从频率确定相应颗粒的线度，从该频率的频谱幅度根据数学建模或经验公式确定对应线度颗粒的浓度。

所述的线性调频信号（LFM）信号可表示成：

              （公式1）

式中，A是信号的幅度， 为初始频率，b为调频系数，T是信号的时间长度，其中、b和T确定了线性调频信号的频率范围为：

                             （公式2）

根据参数控制发送信号的频率范围，通过配置参数，产生频率范围[,]的LFM信号作为测量信号。

上述基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法中，进一步的，将频率范围[,]的LFM信号分成多段频率[，）、[，）……[，]的LFM信号构造，不同探头发不同频率范围的LFM信号；确定了每个频率范围段的起始频率和最高频率，从而确定每个换能器所发送的LFM信号的、b和T。

上述基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法中，进一步的，每个探头将同一个频率段的LFM信号发设定次数w，假设第i个换能器的初始频率、调频系数和信号时间长度分别为、和，即[0，）发一次该换能器负责的频率段的LFM测量信号，[， ）再重新发一次，依次规律发出w次。

上述基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法中，进一步的，所述的接收换能器阵列接收对应发送换能器阵列发送的信号，对应是指接收换能器i接收发送换能器i发射的信号，该信号的频率范围为[，）；将接收换能器阵列接收到的各段频率范围的信号分别做模数转换和谱估计，得到各段频率的衰减谱图。若接收换能器接收到负责频段以外的信号则用数字滤波器滤掉，将各段频率的衰减谱图叠加得到一个频率范围为[,]的衰减谱图。

上述基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法中，进一步的，接收信号的衰减谱中，B为接收信号的最大幅度，设定常数N，将频率段[,]分成N等份，每一份的距离为

                        （公式4）

其中第j等份的频率范围为[，+ ]，满足=+；这段频率对应的颗粒线度为=/，根据衰减谱检测出该等份频率的衰减幅度为（-），通过衰减幅度或衰减斜率换算出对应线度的颗粒浓度，最终得出[/,/]线度范围内各种颗粒的浓度。

实现所述测量方法的测量装置，包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块和测量腔，

操作模块与处理模块连接，主要用于人机交互，根据应用场景选择发射功率、等分数N、各个换能器发送信号的次数w和各个换能器发射和接收所负责的频率范围、以及相应频段信号的初始频率、调频系数和信号时间长度分别为、和；

处理模块与操作模块、收发模块，以及输出模块相连，处理模块根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过收发模块发出以及接收测量信号的波形和数据，对接收信号数据进行分析处理得出颗粒浓度的测量结果，将结果传输给输出模块输出；

收发模块与处理模块相连，位于测量腔内，它包括发送换能器阵列和接收换能器阵列，负责从数模转换器获取发射信号发射，以及接收信号传给模数转换器转换；收、发换能器阵列能通过滑动调整收发阵列之间的距离，以适应不同的应用情况，衰减强时缩短它们之间的距离提高接收信号幅度，衰减弱时增大距离提高测量精度；

输出模块与处理模块相连，用于显示处理模块测量的气体颗粒浓度结果，或者将检测结果送给其他系统或设备。

进一步的，所述测量腔采用吸声材料制造。

进一步的，处理模块主要包括数字处理器、数模转换器及模数转换器，其中数字处理器根据操作模块的指令产生各段的LFM信号传送给数模转换器；另外，数字处理器从模数转换器中获取接收信号的数据进行谱估计、滤波以及颗粒浓度测量；然后将测量的结果传送给输出模块输出；数模转换器和模数转换器充当数字处理器和收发模块的桥梁，将数字处理器产生的信号数模转换传给收发模块发送，从收发模块接收信号进行模数转换传给数字处理器处理。

本发明装置的主要工作流程如下：操作者通过操作模块输入对应的参数，调整收发阵列间的距离L。处理模块根据参数信息产生各段LFM信号，数模转换器转换成发射信号，传送给发射换能器阵列发射。然后接收换能器阵列接收测量信号，传送给处理模块。处理模块中的模数转换器将接收信号转换成数字信号传给数字处理器。数字处理器将各个接收换能器的接收信号进行谱估计，通过滤波剔除各个换能器负责频率范围外的信号，再进行颗粒浓度测量。最后将测量出来的颗粒浓度值传送给输出模块输出结果。

与现有技术相比，本发明适用范围广，测量精度高，装置简单，成本低廉，使用方便。

第一，本发明克服了现有超声法测量颗粒浓度技术难以产生和发射宽带信号的不足，采用LFM信号构造测量信号，利用收发换能器阵列对测量信号进行发射和接收，使测量信号有近似等幅的幅频特性和超宽频的特点，通过一次测量就可以得出线度范围相当大的各种颗粒的浓度。

第二，本发明受颗粒性质和环境参数的限制小。本发明基于超声法的基础测量气体颗粒浓度，因此可以测量各种化学成分的颗粒，以及适用各种环境参数的测量。

第三，本发明可测量颗粒的浓度范围宽。由于超声的穿透性好，并且本发明的收发换能器阵列间距离可以调整，因此可以对高浓度气体颗粒进行测量，弥补了光学方法难以测量高浓度颗粒的不足。

第四，本发明测量精度高。随着数字信号处理特别是频谱估计、滤波技术的成熟，本发明的颗粒浓度测量可以达到较高的精度。另外，本发明的测量腔使用吸声材料，减低了多重反射声线到达接收换能器阵列对测量结果的影响，进一步提高精度。

第五，本发明成本低廉、可行性强。本发明装置所需的部件都是易于获取的，相对于光学方法采用的光学设备，本装置成本低廉。另外，本发明所采用的测量信号LFM信号容易产生，可以通过DSP用软件产生，也可以通过硬件产生。

附图说明

    图1为本发明收发模块采用有线连接方式时的装置示意图；

图2为本发明测量腔（包括测量腔内的收发模块部分）的正面剖面图；

图3为本发明收发模块采用无线连接方式时的装置示意图；

图4为发射测量信号的时频图；

图5为发射测量信号的频谱示意图；

图6为接收测量信号的衰减谱示意图；

图7为本发明装置的工作流程示意图。

具体实施方式

下文结合附图对本发明的具体实施方式（装置具体构成以及本发明装置的工作步骤）作进一步的说明，以下仅仅为举例，不用于限制本发明的保护范围。

图1为实现上述装置有线连接的示意图，本装置主要包括操作模块110、处理模块120、收发模块130、输出模块140和测量腔150五个模块，各个模块按图1的方式连接，收发模块130置于测量腔150内。处理模块的数字处理器121可以用DSP芯片或者ARM等实现；数模转换器122和模数转换器123也可以用DSP芯片实现。收发模块中的发射换能器阵列131和接收换能器阵列132可以用数个垂直摆放的超声波转换器实现，阵列中的每个超声波转换器可以收发不同频率段的超声信号，阵列中超声波转换器的数目根据应用场景和测量的范围而定。另外，收发模块与处理模块的连接可以采用有线和无线两种连接方式，在采用无线连接方式时，如图3，可以利用2.4G射频收发模块实现，一个置于测量腔内233，一个在测量腔外224。

测量腔150为一个长方体，六个面用吸声材料制作。上下底面有两个凹槽151，上底面152制做成可以掀开，用于给收发换能器阵列滑动，调整收发之间的距离。左侧盖153和右侧盖154做成可以滑动，用于慢慢滑动封闭测量腔，以免造成太大的气流导致腔内腔外颗粒浓度不一样。图2为测量腔的正面剖面图，更清晰地呈现了其中各个部件（包括置于测量腔内的收发模块部分）。

基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法，主要步骤如下：第一，利用线性调频信号（LFM）构造测量信号，将测量信号进行数模转换后从发射超声换能器阵列发射出去；第二，接收超声换能器阵列检测超声信号，得到接收信号；第三，对接收信号进行模数转换，进而对接收信号进行谱估计，得到接收信号的衰减谱；第四，对得到的衰减谱进行分析，从频率确定相应颗粒的线度，从该频率的频谱幅度根据数学建模或经验公式确定对应线度颗粒的浓度。

上述方法中，所述的线性调频信号（LFM）信号可以表示成：

              （公式1）

式中，A是信号的幅度， 为初始频率，b为调频系数，T是信号的时间长度，其中、b和T确定了线性调频信号的频率范围为：

                             （公式2）

所述的线性调频信号容易产生，可以根据参数简单控制发送信号的频率范围，而且具有近似矩形的幅频特性， 非常适合用于宽频接收信号衰减谱图的分析。因此，通过配置参数，很容易产生频率范围[,]的LFM信号作为测量信号。

但由于一个超声换能器只能发送一定频率范围的超声信号而不能发送很宽的频率范围，因此将很宽的测量信号[,]分成多段频率[，）、[，）……[，]的LFM信号构造，不同探头发不同频率范围的LFM信号。只要确定了每个频率范围段的起始频率和最高频率，就可以确定每个换能器所发送的LFM信号的、b和T。

为了增加测量的精度，可以发送多段短时LFM信号，即每个探头将同一个频率段的LFM信号发w次，假设第i个换能器的初始频率、调频系数和信号时间长度分别为、和，即[0，）发一次该换能器负责的频率段的LFM测量信号，[， ）再重新发一次……所构造的测量信号的时频分析图如图4所示。所述测量信号的频谱（各个换能器的频谱图的叠加）是具有近似矩形幅频特性频率范围为[,]的频谱，频谱图如图5所示。

上述方法中，所述的接收换能器阵列接收对应发送换能器阵列发送的信号，对应是指接收换能器i接收发送换能器i发射的信号，该信号的频率范围为[，）。将接收换能器阵列接收到的各段频率范围的信号分别做模数转换和谱估计，得到各段频率的衰减谱图。若接收换能器接收到负责频段以外的信号则用数字滤波器滤掉，将各段频率的衰减谱图叠加可以得到一个频率范围为[,]的衰减谱图。

    上述衰减谱图中，由于超声波测量信号在气体传播过程中受到气体颗粒反射、散射、绕射等效应影响，会有相应的衰减，具体影响过程如下所述。当颗粒线度小于超声波波长时，超声波传播发生绕射效应，超声波能绕过该线度的颗粒继续传播。当颗粒线度大于超声波波长时，在气体和颗粒的分界面超声波会发生反射、散射和折射。假设是入射波的振幅，是反射波的振幅，气体的法向声阻抗为，颗粒的法向声阻抗为，根据惠更斯原理以及反射定律，反射波和折射波的振幅与两个介质声阻抗满足以下关系：

                        （公式3）

一般来说，固体或液体颗粒的声阻抗远大于气体声阻抗，因此当颗粒线度大于超声波波长时，声波的大部分能量被反射或散射（颗粒不规则时）掉，而很少的能量能透过颗粒继续往前传播。当颗粒线度和超声波波长相近时，在气体和颗粒的分界面超声波会同时发生反射、散射、折射和绕射的效应。

假设某种颗粒的线度为，声速为，则频率在f =/以上的超声波都会受到一定程度的衰减，该线度的颗粒浓度越高，衰减就越厉害。由于气体中存在各种线度的颗粒，频率越高波长越小的超声波，受到不同线度颗粒的反射或散射就越多，累计的衰减就越大。

接收到的衰减谱如图6所示，其中B为接收信号的最大幅度，可以设定常数N，将频率段[,]分成N等份，每一份的距离为

                        （公式4）

其中第j等份的频率范围为[，+ ]，满足=+。这段频率对应的颗粒线度为=/，根据衰减谱检测出该等份频率的衰减幅度为（-），通过数学建模或相关的经验公式可以通过衰减幅度或衰减斜率换算出对应线度的颗粒浓度。最终可以得出[/,/]线度范围内各种颗粒的浓度。

    上述方法中，N的大小可以根据实际应用情景确定，也可以根据应用需求，将等份后的某些频率段再重新合并以测量所关心颗粒的浓度。例如，要测量PM2.5（大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物）的浓度， 空气中为340m/s，通过公式f=/找出其对应频率，即分析136MHz以上频率的衰减，也就可以将136MHz以上的各段频率等份合成一段再进行浓度的计算。

本实例的工作步骤如图7所示，具体如下：

步骤1：根据测量需要，选取收发换能器阵列之间的距离L，发射信号的幅度A（或发射功率），等分数N，每个换能器发射信号的次数w（没有先验条件的情况下可以先为这些变量赋予某些默认值）。并且确定阵列中的各个换能器负责的频率范围，进而确定各个换能器发送测量信号的初始频率、调频系数和信号时间长度。输入操作参数，系统检测操作模块是否有操作请求，如果有操作请求则处理模块响应请求保存参数。

应用举例：假设测量空气中线度为1μm-10μm的颗粒的浓度，空气中声波速度为340m/s，由f=/得对应的频率范围[,]为[34MHz,340MHz]。若使用的换能器相对带宽为80%，则可以用三个换能器覆盖这个频率段，这三个换能器分别负责的频率段可以为[30MHz，70MHz）、[70MHz，163MHz）、[163MHz，380MHz]。则可以根据这些频率段确定每段LFM信号的初始频率、调频系数和信号时间长度。

步骤2：掀开测量腔上底面，调整好收发换能器阵列的距离后重新盖上，然后缓慢滑动装置的左右侧盖使他们闭合，此时测量腔内成为一个封闭的测量空间。通过操作模块输入一个开始测量的信号。

步骤3：处理模块收到开始测量信号则根据输入参数（包括A，w，各段信号的初始频率、调频系数、信号时间长度）产生各段LFM信号。

步骤4：将产生的LFM信号传送到数模转换器，转换成模拟信号传送给收发模块，收发模块通过发送换能器阵列发送测量信号。

步骤5：接收换能器接收测量信号，将信号传送给模数转换器，模数转换器将转换后的频率传送给数字信号处理器处理。

步骤6：数字信号处理器将各个接收换能器的接收信号进行谱估计，并对各个估计谱用带通滤波器滤掉该换能器负责频率范围外的信号。

步骤7：将滤波后的各个估计谱叠加，得到总的衰减谱，并根据前面所述方法将衰减谱分成N等份，根据应用需求找出对应的频段及其幅度衰减用经验公式换算出对应线度颗粒的浓度，进而确定各种颗粒的线度和对应浓度。

步骤8：将颗粒浓度的测量结果（包括线度和对应浓度）传送给输出模块，输出模块将结果输出。

Claims (1)

1.基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法，其特征在于包括如下步骤：第一，利用线性调频信号（LFM）构造测量信号，将测量信号进行数模转换后从发射超声换能器阵列发射出去；第二，接收超声换能器阵列检测超声信号，得到接收信号；第三，对接收信号进行模数转换，进而对接收信号进行谱估计，得到接收信号的衰减谱；第四，对得到的衰减谱进行分析，从频率确定相应颗粒的线度，从该频率的频谱幅度根据数学建模或经验公式确定对应线度颗粒的浓度；

所述的线性调频信号（LFM）信号可表示成：

              （公式1）

式中，A是信号的幅度， 为初始频率，b为调频系数，T是信号的时间长度，其中、b和T确定了线性调频信号的频率范围为：

                             （公式2）

根据参数控制发送信号的频率范围，通过配置参数，产生频率范围[,]的LFM信号作为测量信号；将频率范围[,]的LFM信号分成多段频率[，）、[，）……[，]的LFM信号构造，不同探头发不同频率范围的LFM信号；确定了每个频率范围段的起始频率和最高频率，从而确定每个换能器所发送的LFM信号的、b和T；

每个探头将同一个频率段的LFM信号发设定次数w，假设第i个换能器的初始频率、调频系数和信号时间长度分别为、和，即[0，）发一次该换能器负责的频率段的LFM测量信号，[， ）再重新发一次，依次规律发出w次；

所述的接收换能器阵列接收对应发送换能器阵列发送的信号，对应是指接收换能器i接收发送换能器i发射的信号，该信号的频率范围为[，）；将接收换能器阵列接收到的各段频率范围的信号分别做模数转换和谱估计，得到各段频率的衰减谱图；

接收信号的衰减谱中，B为接收信号的最大幅度，设定常数N，将频率段[,]分成N等份，每一份的距离为

                        （公式4）

其中第j等份的频率范围为[，+ ]，满足=+；这段频率对应的颗粒线度为=/，根据衰减谱检测出该等份频率的衰减幅度为（-），通过衰减幅度或衰减斜率换算出对应线度的颗粒浓度，最终得出[/,/]线度范围内各种颗粒的浓度；

所述测量方法通过如下测量装置实现，测量装置包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块和测量腔，

操作模块与处理模块连接，主要用于人机交互，根据应用场景选择发射功率、等分数N、各个换能器发送信号的次数w和各个换能器发射和接收所负责的频率范围、以及相应频段信号的初始频率、调频系数和信号时间长度分别为、和；

处理模块与操作模块、收发模块，以及输出模块相连，处理模块根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过收发模块发出以及接收测量信号的波形和数据，对接收信号数据进行分析处理得出颗粒浓度的测量结果，将结果传输给输出模块输出；

收发模块与处理模块相连，位于测量腔内，它包括发送换能器阵列和接收换能器阵列，负责从数模转换器获取发射信号发射，以及接收信号传给模数转换器转换；收、发换能器阵列能通过滑动调整收发阵列之间的距离，以适应不同的应用情况，衰减强时缩短它们之间的距离提高接收信号幅度，衰减弱时增大距离提高测量精度；

输出模块与处理模块相连，用于显示处理模块测量的气体颗粒浓度结果，或者将检测结果送给其他系统或设备；处理模块主要包括数字处理器、数模转换器及模数转换器，其中数字处理器根据操作模块的指令产生各段的LFM信号传送给数模转换器；另外，数字处理器从模数转换器中获取接收信号的数据进行谱估计、滤波以及颗粒浓度测量；然后将测量的结果传送给输出模块输出；数模转换器和模数转换器充当数字处理器和收发模块的桥梁，将数字处理器产生的信号数模转换传给收发模块发送，从收发模块接收信号进行模数转换传给数字处理器处理。