CN103134946B - 一种基于线性调频信号的空间介质流速测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性调频信号的空间介质流速测量方法与装置，测量方法通过发射模块和接收模块所发送及接收的模拟线性调频信号，求出信号的传播时间，然后根据速度时间的物理关系求得介质流速。所述装置包括操作模块、处理模块、输出显示模块、发射模块和接收模块；所述处理模块分别与操作模块、输出显示模块、发射模块及接收模块相连，处理模块根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过发射模块发出和接收模块接收测量信号的波形和数据，通过模数转换器中获取接收信号的数据，对接收信号数据进行分析处理得出介质流速的测量结果，并将结果传输到输出显示模块。本发明测量精度高，抗干扰能力强，运算量低，装置结构简单易用，成本低廉。

Description

一种基于线性调频信号的空间介质流速测量方法与装置

技术领域

本发明涉及线性调频测量技术，具体涉及一种利用线性调频(LFM)技术构造测量信号，通过发射及接收线性调频(LFM)信号来进行指定区域内的三维介质流速的测量方法与装置。

背景技术

科技的日益发展，行业需求日益增加，介质流速的测量越来越成为人们关注的热点。随着近代流体力学和空气动力学的发展，特别是对多种复杂流动现象(包括紊流的形成、漩涡、激波干扰等)深入研究的需要，精确地测量和显示这些复杂流动现象就显得十分重要与迫切。这些复杂的流动现象一般是三维的、非周期性的，并具有异常复杂的空间结构和非定常特性，对干扰极为敏感。受其影响，三维介质流速的测量要求高，难度大。往往需要进行非接触测量以及使用高精度的显示技术才能获得精确的测量结果。另外，由于近年来对海洋资源的开发越来越成熟，针对地球上海洋面积为陆地面积两倍多的客观情况，水下测量技术日益增多，如船舰导航，潜艇追踪，鱼雷制导等等。但水下压力、介质以及环境的复杂性，导致水下速度测量难以方便进行，可以水陆两用的介质流速测量方法更是少之又少，因此对研究适用的流体测速方法尤为迫切。

目前比较常用的介质流速测量方法主要有：空气动力测速法、热线测速法和激光测速法等。空气动力测速法主要用来测量二元流的速度和方向，使用不转动风速管进行测量，对气流的变化特别敏感。热线测速法可以使用热线或热膜进行测量，但热线稳定性差，只能用于气体，热膜可以适应于气体和液体，但造价高昂。激光测速技术则利用激光中的微粒感知来测量介质流速，但设备较为复杂，若在水下环境，光的传播衰减大，该方法难以在水中实现。线性调频信号是应用极为广泛的一种信号体制，输入信号的频率随时间成线性变化，其多普勒影响较小，具有很远的作用距离和高的距离分辨率。由于线性调频信号在空气以及水中的衰减相对都较小，因此可以利用线性调频信号对介质流速进行测量。

目前一些测量方法主要是针对管道流体介质，利用超声传感器阵列，使用自适应的波束算法来测量速度(CN200480006749.9)；或根据流体介质的流动特征，分割流体路径然后各自构建函数对速度进行测量(CN200510059972.9)。这些方法会使整个测量结构复杂化，而且测量方向单一，计算量大，不能很好地解决问题。

本发明基于线性调频的三维介质流速测量方法与装置，不仅可以测量三维空间上各个方向的速度，而且设计简单，抗干扰能力强，所需的运算量很小，能够利用简单的设备精确测量出介质流速。另外，本发明提出的测量方法也适用于水下环境。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，简化目前介质流速测量方法的复杂性，解决难以适应水下环境的问题，提供一种基于线性调频信号的空间介质流速测量方法与装置。该方法利用线性调频信号构建测量信号，通过换能器变换及收发，计算出传播时间，从而推导介质流动速度。本发明的测量信号容易产生和收发，并且测量精度高，抗干扰能力强，可通过以下技术方案实现。

基于线性调频信号的空间介质流速测量方法，包括如下步骤：第一，在流体介质中一确定方向(如水平方向)上发送一个线性调频信号，并预先设定该线性调频信号的各个参数；第二，在与所述确定方向同一方向上，从设定空间内接收所发射的线性调频信号；第三，测得初始多普勒频移值，将接收到的线性调频信号与考虑了多普勒频移的初始信号的共轭进行乘积，通过数字信号处理方法及运算得出信号从发射到接收的时间值；第四，利用求得的时间值与流体介质没有流动时的理论时间值进行比较，即能精确计算出所述方向上的介质流动速度；通过任改变第一步骤中的方向，能得到流体介质在相应方向上的流动速度。

进一步的，对于三维流体介质，在三维空间内构建一个直角坐标系，则空间内任意方向上的介质流动速度，通过所述第一至第四步骤得到三个直角坐标轴方向上的分速度，然后利用速度矢量的几何计算，得到任意方向上的三维介质流速。

进一步的，在流体介质的一维流动方向上，设置相隔距离为L的一个发射模块和一个接收模块，分别用于线性调频信号的发送和接收；由于线性调频信号以声音形式传播，故在静止介质中的传播速度为固定值V_声。若介质静止，发收端线性调频信号的传播时间为：

(公式1)

其中L为设定的信号传播距离；

若介质具有流速，则其流动速度v为：

(公式2)

其中τ为信号在介质中的传播时间。若求得的速度为正值，则介质流动速度方向与信号传播方向一致；若求得的速度为负值，则介质流速方向与信号传播方向相反。

进一步的，利用收发的线性调频信号来确定信号在介质中的传播时间τ，具体是：

所发送的线性调频信号的表达式为：

$\begin{array}{cc}s\left(t\right)=e^{j(2{\mathrm{\πf}}_{0}t+{\mathrm{k\πt}}^2)}& 0\≤t\≤T\end{array}$ (公式3)

其中f₀为信号中心频率，也称为起始频率；k为信号的调频斜率；T为信号的脉冲宽度；

所发送的线性调频信号以声音形式传播，在传播过程中会产生多普勒偏移以及幅度的变化；因此接收模块的接收信号表示为：

$\begin{array}{cc}{s}^{\′}\left(t\right)={\mathrm{Ae}}^{j\left(2{\mathrm{\πf}}_{0}D\right(t+\mathrm{\τ})+{\mathrm{k\πD}}^2{(t+\mathrm{\τ})}^2)}& 0\≤t\≤T\end{array}$ (公式4)

其中D为多普勒偏移，τ为信号传播时间，A为传播过程中的信号变化的幅度；

多普勒偏移D采用处理器通过数字信号处理技术(现有技术)测得，

用多普勒频移值D重新构建信号s^*(t)

$s^{*}\left(t\right)=e^{-j(2{\mathrm{\πf}}_{0}Dt+{\mathrm{k\πD}}^2{t}^2)}$ (公式5)

然后将接收到的信号与重新构建的信号进行乘积运算，可得到如下关系式：

$\begin{array}{c}{s}^{\′}\left(t\right)\×s^{*}\left(t\right)={\mathrm{Ae}}^{j\left(2{\mathrm{\πf}}_{0}D\right(t+\mathrm{\τ})+{\mathrm{k\πD}}^2{(t+\mathrm{\τ})}^2)}\·e^{-j(2{\mathrm{\πf}}_{0}Dt+{\mathrm{k\πD}}^2{t}^2)}\\ ={\mathrm{Ae}}^{j2{\mathrm{\πkD}}^{2}t\mathrm{\τ}}\·e^{j(2{\mathrm{\πf}}_{0}D\mathrm{\τ}+{\mathrm{k\πD}}^2{\mathrm{\τ}}^2)}\end{array}$ (公式6)

在公式6中，为一个定值，与t无关，公式6中的信号归一化幅度后为一个单频复指数信号该信号改写成e^jωt，其中ω＝2πkD²τ，利用数字信号处理技术能够非常精确地测量出指数信号的相位ω，因此，线性调频信号的传播时间为：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\πkD}}^2}$ (公式7)

则根据公式2，介质流速可写成：

(公式8)。

上述发明的具体原理如上所述，通过所发送及接收的模拟线性调频信号，求出信号的传播时间，然后根据速度时间的物理关系求得介质流速。要实现该过程，需要在接收到信号后对数据进行数字信号处理，测量线性调频信号参数，实行精确的介质流速测量。

进一步的，对具有三维方向的介质流速，在规定的三维空间内设置三对发射模块和接收模块，以一对发射模块和接收模块确定一条直线，则利用此三条直线构建一个直角坐标系，三个坐标轴分别设为x、y和z轴，任意三维方向的介质流速在三个坐标轴上的分速度为

(公式9)

其中k_x,k_y,k_z分别对应三个坐标轴所发线性调频信号的调频斜率，ω_x,ω_y,ω_z分别对应三个坐标轴测量到的相位；

则根据矢量几何计算，三维介质流速的大小为方向用余弦表示为 ${\mathrm{cos\θ}}_x=\frac{v_x}{v},{\mathrm{cos\θ}}_y=\frac{v_y}{v},{\mathrm{cos\θ}}_z=\frac{v_z}{v}.$

进一步的，在三个坐标轴上所发送的信号斜率不同，对任一坐标轴所在方向的测量中，其他两个坐标轴上的发射模块发送的信号被当做噪声滤除掉。

实现所述基于线性调频信号的空间介质流速测量方法的装置，其包括操作模块、处理模块、输出显示模块、发射模块和接收模块；

所述操作模块与处理模块和输出显示模块连接，主要用于人机交互，根据应用环境的不同而选择发送信号的中心频率、调频斜率和信号时间长度参数，并调节发射模块发送信号的次数和接收模块的频率范围；

所述处理模块分别与操作模块、输出显示模块、发射模块及接收模块相连，处理模块主要包括数字信号处理器、模数转换器和数模转换器；处理模块根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过发射模块发出和接收模块接收测量信号的波形和数据，通过模数转换器中获取接收信号的数据，对接收信号数据进行分析处理得出介质流速的测量结果，并将结果传输到输出显示模块，其中数字信号处理器根据操作模块的指令产生不同的线性调频信号传送给数模转换器；模数转换器作为数字信号处理器和接收模块的桥梁，数模转换器作为数字信号处理器和发射模块的桥梁，数模转换器将数字处理器产生的信号进行数模转换后给发射模块发送，模数转换器从接收模块接收信号进行模数转换传后给数字信号处理器处理。

进一步的，所述接收模块包括接收换能器，所述发射模块包括发送换能器，发送换能器负责从处理模块中的数模转换器获取发射信号发射，接收换能器将接收信号传送给处理模块中的模数转换器。

进一步的，还包括测量架，测量架为空心的非封闭正方体硬质架，硬质架任意相对的两个面中，均有一个面布置有发送换能器，另一个面布置有接收换能器。

进一步的，所述输出显示模块包括电脑显示屏和输出接口，电脑显示屏作为直接的显示和监测工具，为操作者提供实时的指令执行情况、各个过程的数字信号处理情况以及测量结果；输出接口用于将测量结果输出到其他外接设备或系统。

上述发明通过采用发送已知线性调频信号，对接收到的线性调频信号参数进行检测，从而确定信号在介质中传播时间的方法，精确测量出介质流速经过规定路径的时间，然后通过速度时间的物理方法精确求解出介质流动速度，实现了介质流速在三维空间内的速度测量。

上述装置的主要工作流程如下：操作者通过操纵模块输入对应的参数，处理模块根据输入的参数信息产生各个线性调频信号，数模转换器转换成发射信号，传送收发模块中的分频器，根据线性调频信号的不同频率传送给各个发射换能器发射。接着各个接收换能器接收到对应的接收测量信号，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信号处理器。数字信号处理器将各个接收换能器的接收信号进行参数估计，滤除噪声信号，再进行数据换算，对介质流速进行测量。最后将测量出来的介质流动速度值传送给输出显示模块显示并输出结果。

与现有技术相比，本发明适用范围广，测量精度高，抗干扰能力强，运算量低，装置简单易用，成本低廉，使用方便。

第一，克服了现有的介质流速测量技术难度大的不足，突破了介质流动速度测量技术的限制，采用线性调频信号构造测量信号，利用收发换能器对测量信号进行发射和接收，使测量信号稳定且精度高，大大降低测量过程的难度和运算量。且线性调频信号在测量过程中抗干扰能力强，受外界环境影响较小。

第二，可测量三维方向上的介质流速，通过换能器和非封闭的测量装置，易于对三维流速进行精确测量。无论在技术上还是实际应用上，均在现有的风速测量计基础上有了本质的提高。

第三，适用范围广。由于本发明所采用的测量换能器可以结合超声法测量，且超声是水下信号测量的重要手段，因此本发明不仅可以测量陆地风速，也能够用于水下速度测量，实现多功能测量。

第四，测量精度高。随着数字信号处理技术特别是频谱估计技术、滤波技术的成熟，本发明的介质流速测量可以达到较高的精度。

第五，成本低廉、可行性强、装置简单易用。上述发明装置所需的部件都是易于获取的，相对现有技术的测量设备，本装置成本低廉。而上述发明所采用的测量信号线性调频信号容易产生，通过软件或硬件产生均可，且整个系统算法简单，可行性高。另外，上述发明装置架应用可拆卸组装的结构模式，安装简单，可方便适用于各种测量环境。

附图说明

图1为一维方向介质流动速度示意图；

图2为三维方向介质流动速度示意图；

图3为实例中测量装置的模块组成示意图；

图4为实例中具体装置连接组合示意图；

图5为线性调频信号的收发时频示意图；

图6为实例中测量装置的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明装置的具体实施方式(包括装置结构和工作步骤)进行进一步说明，以下仅为进一步举例，对与发明内容中相同的部分不再重复说明。

图1所示为具有一维方向的介质以速度v在地点A与B之间流动示意图，图2则为具有三维方向介质在A与B之间流动，如图所示，其三维速度依直角坐标系分解为x，y，z三个方向上的分速度。

图3为测量装置的模块框图，该装置主要包括操作模块101、处理模块102、收发模块103(包括发射模块和接收模块)、输出显示模块104和测量架105这五个模块，其模块间连接方式如图1所示，收发模块103置于测量架105上，具体的装置连接可以可参见图4。图4为上述发明具体装置的连接组合方式。处理模块的数字信号处理器203可以用DSP芯片或者ARM等实现；模数转换器204和数模转换器205也可以用DSP芯片实现。收发模块中的发射换能器207和接收换能器208可以用垂直摆放的超声波转换器实现。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，可以利用2.4G射频收发模块实现。测量架209为一个正方体结构，由12根硬质棒组装而成，上下前后左右六个面均不封闭的空心组合架。架上各个面上均设置有一个发射或接收换能器。整个测量架可拆卸组合，制作采用硬质材料。

图5给出了测量三维方向介质流速时，三个坐标轴收发的线性调频信号的时域示意图，可以看到，各个线性调频信号的调频斜率各不相同。因此在测量其中一个方向上的分速度时，容易将另外两个方向上的测量信号滤除掉。

上述测量装置的工作步骤如图6所示，举例如下：

步骤1：根据测量需要，架设测量架，确定换能器之间的距离L，所需发射信号的幅度，并且确定各个换能器负责的频率范围，进而确定各个换能器所发送测量信号的初始频率f₀，调频斜率k和信号时间长度T。输入操作参数，由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并保存参数。

步骤2：调整测量架上的换能器，使每组收发换能器位于同一直线上，且三组换能器形成直角坐标系。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的各个参数，如幅度A，初始频率f₀，调频斜率k，信号时间长度T等产生各个坐标轴上的线性调频信号。

步骤4：将产生的线性调频信号传送到数模转换器，转换成模拟信号后传送到收发模块，然后收发模块通过各个发射换能器发送各坐标轴上的测量信号。

产生的需要发送的线性调频信号的离散形式表示如下：

$s\left(n\right)=e^{j(2{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{nT}}_s+{\mathrm{k\πn}}^2{T}_s^2)}$ (公式10)

其中T_s为采样间隔。

步骤5：各个接收换能器接收测量信号，接收后将信号传送给模数转换器，模数转换器将转换后得到的数字信号传送给数字信号处理器进行处理。

目前有多种算法可以检测线性调频信号的各个参数，其精确度都比较高，本发明采用一种自相关法对线性调频信号的参数进行检测。设

$a\left(n\right)=2{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{nT}}_s+{\mathrm{k\πn}}^2{T}_s^2,b\left(n\right)=2{\mathrm{\πf}}_0(n+m)T_s+k\mathrm{\π}{(n+m)}^2{T}_s^2$

因此，线性调频信号的自相关形式可以写成：

$r_{xy}\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=n_1}{\overset{n_2-m}{\Σ}}\[\cos a\left(n\right)-i\sin a\left(n\right)\]\×\[\cos b\left(n\right)+i\sin b\left(n\right)\]$ (公式11)

N为信号长度，变化范围为[n₁,n₂]，m为时间间隔。

线性调频信号中心频率f₀的提取采用检测频率自行递增迭代方法实现：第一，将采集到的LFM实信号首先用两路正交信号进行数字下变频。两路正交信号分别为sin(2πf_cnT_s)和cos(2πf_cnT_s)，频率f_c可调，且循环递增迭代，f_c＝f_c+Δf。第二，将输出的两路信号整合成LFM复信号，第三，随着f_c的改变，对LFM复信号进行自相关处理，直到出现虚部幅度最小值时停止，此时得到的频率f_c即为LFM的中心频率f₀。中心频率f₀的精度可通过改变f_c的迭代步进Δf来控制。

线性调频信号带宽B，调频斜率k的提取建立在零中频线性调频信号基础上。通过上述对中心频率f₀的提取，当f_c＝f₀时，得到的即为零中频LFM复信号。当f₀＝0时其相角为抛物线，抛物线的动态范围是信号带宽B，再由B与k的关系，可求得信号调频斜率k。

采用上述检测方法，可以精确地获得所需的线性调频信号参数，则接收到的线性调频信号的离散形式为：

$s^{\′}\left(n\right)={\mathrm{Ae}}^{j\left(2{\mathrm{\πf}}_{0}D\right({\mathrm{nT}}_s+{\mathrm{mT}}_s)+{\mathrm{k\πD}}^2{({\mathrm{nT}}_s+\mathrm{\τ})}^2)}$ (公式12)

步骤6：数字信号处理器将各个接收换能器所接收到的信号进行噪声滤除和数据整理。通过将重构的原始信号共轭和接收到的测量信号乘积，然后进行频率估计，确定测量信号传送的具体时间。在每一坐标轴上，接收到的线性调频信号可能包含另外两个方向发送的信号叠加产生的误差，但由于三个坐标轴上所发送的信号斜率不同，因此其他两个方向发送的信号对测量方向的影响可以当做噪声，容易检测分离，进而滤除掉，不会对参数的测量造成大的误差。

利用上述模拟收发信号求解传播时间的原理，对离散形式的信号进行类似的变换及求解，即将接收信号去噪，然后与根据多普勒频移重构的原始信号的共轭相乘，得到一个离散的指数信号x(n)＝e^jωn，其中因此与信号传播时间有关的m值可表示为：

$m=\frac{\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\πkD}}^2{T}_s^2}$ (公式13)

由上式可知，上述装置在数字信号处理部分，通过相位ω、采样间隔T_s和多普勒频移D等参数的关系可获取信号传播时间的相关数字参数，可容易实现在数字信号处理部分的相关测量，从而获得精确的信号传播时间。其中，利用数字信号处理方法可以容易估出本装置信号传播过程中产生的多普勒偏移，本发明利用数字信号的方法对多普勒偏移进行测量，从而获得D值。

步骤7：利用求得的传送时间，根据公式换算出信号的传送速度，与介质没有流动速度下的传送速度进行比较，从而确定每个坐标轴上的介质流动速度分量，最后通过几何关系得出三维方向的介质流速。

步骤8：将介质流速的测量结果传送到输出显示模块，输出显示模块将结果进行显示并输出。

如上所述即可较好的实现本发明，未具体说明部分均为现有技术中已有的成熟技术。

Claims (4)

1.一种基于线性调频信号的空间介质流速测量方法，其特征在于包括如下步骤：第一，在流体介质中一确定方向上发送一个线性调频信号，并预先设定该线性调频信号的各个参数；第二，在与所述确定方向同一方向上，从设定空间内接收所发射的线性调频信号；第三，测得初始多普勒频移值，将接收到的线性调频信号与考虑了多普勒频移的初始信号的共轭进行乘积，通过数字信号处理方法及运算得出信号从发射到接收的时间值；第四，利用求得的时间值与流体介质没有流动时的理论时间值进行比较，即能精确计算出所述方向上的介质流动速度；通过改变第一步骤中的方向，能得到流体介质在相应方向上的流动速度；

对于三维流体介质，在三维空间内构建一个直角坐标系，则空间内任意方向上的介质流动速度，通过所述第一至第四步骤得到三个直角坐标轴方向上的分速度，然后利用速度矢量的几何计算，得到任意方向上的三维介质流速；在流体介质的一维流动方向上，设置相隔距离为L的一个发射模块和一个接收模块，分别用于线性调频信号的发送和接收；由于线性调频信号以声音形式传播，故在静止介质中的传播速度为固定值V_声，若介质静止，发收端线性调频信号的传播时间为：

(公式1)

其中L为设定的信号传播距离；

若介质具有流速，则其流动速度v为：

(公式2)

其中τ为信号在介质中的传播时间，若求得的速度为正值，则介质流动速度方向与信号传播方向一致；若求得的速度为负值，则介质流速方向与信号传播方向相反；

对具有三维方向的介质流速，在规定的三维空间内设置三对发射模块和接收模块，以一对发射模块和接收模块确定一条直线，则利用此三条直线构建一个直角坐标系，三个坐标轴分别设为x、y和z轴，任意三维方向的介质流速在三个坐标轴上的分速度为

(公式9)

其中k_x,k_y,k_z分别对应三个坐标轴所发线性调频信号的调频斜率，ω_x,ω_y,ω_z分别对应三个坐标轴测量到的相位，D为多普勒偏移值；

则根据矢量几何计算，三维介质流速的大小为方向用余弦表示为 ${\mathrm{cos\θ}}_x=\frac{v_x}{v},{\mathrm{cos\θ}}_y=\frac{v_y}{v},{\mathrm{cos\θ}}_z=\frac{v_z}{v};$

三个坐标轴上所发送的信号斜率不同，对任一坐标轴所在方向的测量中，其他两个坐标轴上的发射模块发送的信号被当做噪声滤除掉。

2.根据权利要求1所述的一种基于线性调频信号的空间介质流速测量方法，其特征在于利用收发的线性调频信号来确定信号在介质中的传播时间τ，具体是：

所发送的线性调频信号的表达式为：

$\begin{array}{cc}s\left(t\right)=e^{j(2{\mathrm{\πf}}_{0}t+{\mathrm{k\πt}}^2)}& 0\≤t\≤T\end{array}$ (公式3)

其中f₀为信号中心频率，也称为起始频率；k为信号的调频斜率；T为信号的脉冲宽度；

所发送的线性调频信号以声音形式传播，在传播过程中会产生多普勒偏移以及幅度的变化；因此接收模块的接收信号表示为：

$\begin{array}{cc}{s}^{\′}\left(t\right)={\mathrm{Ae}}^{j\left(2{\mathrm{\πf}}_{0}D\right(t+\mathrm{\τ})+{\mathrm{k\πD}}^2{(t+\mathrm{\τ})}^2)}& 0\≤t\≤T\end{array}$ (公式4)

其中D为多普勒偏移值，τ为信号传播时间，A为传播过程中的信号变化的幅度；

多普勒偏移值D采用处理器通过数字信号处理技术测得，

用多普勒频移值D重新构建信号s^*(t)

$s^{*}\left(t\right)=e^{-j(2{\mathrm{\πf}}_{0}Dt+{\mathrm{k\πD}}^2{t}^2)}$ (公式5)

然后将接收到的信号与重新构建的信号进行乘积运算，可得到如下关系式：

$\begin{array}{c}{s}^{\′}\left(t\right)\×s^{*}\left(t\right)={\mathrm{Ae}}^{j\left(2{\mathrm{\πf}}_{0}D\right(t+\mathrm{\τ})+{\mathrm{k\πD}}^2{(t+\mathrm{\τ})}^2)}\·e^{-j(2{\mathrm{\πf}}_{0}Dt+{\mathrm{k\πD}}^2{t}^2)}\\ ={\mathrm{Ae}}^{j2{\mathrm{\πkD}}^{2}t\mathrm{\τ}}\·e^{j(2{\mathrm{\πf}}_{0}D\mathrm{\τ}+{\mathrm{k\πD}}^2{\mathrm{\τ}}^2)}\end{array}$ (公式6)

在公式6中，为一个定值，与t无关，公式6中的信号归一化幅度后为一个单频复指数信号该信号改写成e^jωt，其中ω＝2πkD²τ，利用数字信号处理技术能够非常精确地测量出指数信号的相位ω，因此，线性调频信号的传播时间为：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\ω}}{2{\mathrm{\πkD}}^2}$ (公式7)

则根据公式2，介质流速可写成：

(公式8)。

3.实现权利要求1或2所述基于线性调频信号的空间介质流速测量方法的装置，其特征在于包括操作模块、处理模块、输出显示模块、发射模块和接收模块；

所述操作模块与处理模块和输出显示模块连接，主要用于人机交互，根据应用环境的不同而选择发送信号的中心频率、调频斜率和信号时间长度参数，并调节发射模块发送信号的次数和接收模块的频率范围；

所述处理模块分别与操作模块、输出显示模块、发射模块及接收模块相连，处理模块主要包括数字信号处理器、模数转换器和数模转换器；所述接收模块包括接收换能器；处理模块根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过发射模块发出和接收模块接收测量信号的波形和数据，通过模数转换器中获取接收信号的数据，对接收信号数据进行分析处理得出介质流速的测量结果，并将结果传输到输出显示模块，其中数字信号处理器根据操作模块的指令产生不同的线性调频信号传送给数模转换器；模数转换器作为数字信号处理器和接收模块的桥梁，数模转换器作为数字信号处理器和发射模块的桥梁，数模转换器将数字处理器产生的信号进行数模转换后给发射模块发送，模数转换器从接收模块接收信号进行模数转换传后给数字信号处理器处理；

所述发射模块包括发送换能器，发送换能器负责从处理模块中的数模转换器获取发射信号发射，接收换能器将接收信号传送给处理模块中的模数转换器；

所述的装置还包括测量架，测量架为空心的非封闭正方体硬质架，硬质架任意相对的两个面中，均有一个面布置有发送换能器，另一个面布置有接收换能器。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述输出显示模块包括电脑显示屏和输出接口，电脑显示屏作为直接的显示和监测工具，为操作者提供实时的指令执行情况、各个过程的数字信号处理情况以及测量结果；输出接口用于将测量结果输出到其他外接设备或系统。