CN106568988B - 一种排水管道水体速度的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种排水管道水体速度的测量系统，包括：高速处理器和低速处理器，以及受所述高速处理器控制的超声波传感器、可变增益放大器、模拟数字转换器、第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器、功率放大器。本发明能够稳定高效的测量管道流体的速度，稳定性强、精度高且功耗低。

Description

一种排水管道水体速度的测量系统

技术领域

本发明涉及一种排水管道水体速度的测量系统，具体的，涉及一种基于超声多普勒原理的排水管道水体速度的测量系统。

背景技术

近些年，我国多个城市在每年雨季都会发生内涝事件，呈现了发生范围广、积水深度大、积水时间长的特点。内涝事件的发生，不仅给人民群众在雨天出行带来诸多不便，而且导致了个人和公共财产的巨大损失，甚至威胁了人民群众的生命安全，引起了社会各方面的广泛关注。然而，城市内涝事件的成因是多方面的，如极端天气现象频发、城市化后大量不透水地面的增加、排水设施规划设计标准偏低、城市受纳水体调蓄下泄能力不足、排水设施存在阻塞淤积现象等。要解决和应对城市内涝事件，一方面要靠工程措施，通过规划设计提高标准，完善城市排水防涝系统，并对城市地表的不透水地表进行控制，减少源头径流产生量，增加下游受纳水体的蓄排能力；另一方面要靠管理措施，建立排水监测与预警系统，为政府部门提供排水系统运行的动态监测数据，为大众出行提供精细化的及时预警预报信息，以便科学有效应对不同程度的城市内涝事件。

目前在管道污水监测中的流量监测设备中，超声多普勒的测速方法应用非常广泛，但是软硬件算法方案的实现上，国产设备的稳定性、测量精度和功耗性能都不能满足在排水系统恶劣环境中长期监测的需求。而进口设备存在价格过高、安装维护流程复杂、设备零配件供货周期长、软硬件系统集成度不高等问题，严重影响了排水监测和预警系统的建设。主要表现如下：

(1)软硬件方案不够成熟，高速和低速信号的处理没有分开，导致主机功耗高，电池更换周期较短，且需要每次维护过程打开井盖进行，费时费力；

(2)前端模拟信号接收没有增益调节功能，由于复杂的测量环境变化导致模数转换器的过载或者动态范围不足，影响测试的稳定性；

(3)算法上受到高能量基频及其频率杂散的干扰，影响速度信号多普勒频偏检测的精度和稳定性。

因此，迫切需要开发一种集成度高的管道污水流速测量方法，在软硬件方案上都得到优化。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种稳定性强精度高功耗低的管道污水流速的测量系统。

本发明采用的技术方案为：

本发明的实施例提供一种排水管道水体速度的测量系统，包括：高速处理器和低速处理器，以及受所述高速处理器控制的超声波传感器、可变增益放大器、模拟数字转换器、第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器、功率放大器；其中，所述第一数字模拟转换器，与所述高速处理器连接，将所述高速处理器控制发送的超声波数字信号转换为模拟信号，通过超声波传感器向管道的液体发送超声波探测信号；所述第二数字模拟转换器，与所述可变增益放大器连接，所述高速处理器通过调节所述第二数字模拟转换器的输出电压来动态调节所述可变增益放大器的输入电压，进而动态调节所述超声波回传信号的增益；所述功率放大器，一端与所述第一数字模拟转换器连接，另一端与所述超声波传感器连接，用于将所述第一数字模拟转换器转换的模拟信号进行放大，并驱动所述超声波传感器发送所述超声波探测信号；所述可变增益放大器与所述超声波传感器和所述第二数字模拟转换器连接，用于动态增益调节所述超声波传感器接收的超声波回传信号，以将所述超声波回传信号调节至预定的数据区间内；所述模拟数字转换器一端与所述可变增益放大器连接，另一端与所述高速处理器连接，用于以高采样速率采集经所述可变增益放大器调节后的超声波回传信号，生成高速采样信号并发送给所述高速处理器；所述高速处理器与所述低速处理器连接，用于对所述高速采样信号执行高速处理，其中，在所述高速处理过程中，对所述高速采样信号先进行正交调制，即IQ调制后，再经过低通滤波处理以保留调制后的低频信号，并将具有低频率信号发送给所述低速处理器；所述低速处理器用于对所述低速采样信号执行低速处理，以确定管道流体的速度和管道流体的速度方向。

本发明具有以下优点：

(1)将高速采样信号和低速采样信号分别在不同的处理器中进行处理，从而确保了信号处理速度和减少了主机的损耗；

(2)对采集的数据进行了动态调节，即对前端模拟信号接收进行了动态增益调节，避免了由于复杂的测量环境变化导致模数转换器的过载或者动态范围不足，确保了测试的稳定性；

(3)采用正交IQ两个通道同时调制高速采样信号，有效消除了基频分量频谱的杂散对速度信号的干扰，将同时监测正负速度频谱的算法简化为为监测速度的绝对值。

(4)采用产生发射波形的同源时钟来生成解调IQ信号，避免不同源时钟导致的频率偏差对速度多普勒频偏检测的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明的一实施例的排水管道水体速度的测量系统的结构示意图。

图2是本发明的测量方法的流程图。

图3是本发明的测量方法的详细流程框图。

图4是本发明的一实施例中对采样数据调整过小的示意图。

图5是本发明的一实施例中对采样数据调整过大的示意图。

图6是本发明的一实施例中对采样数据进行合理调整后的示意图。

图7是本发明的一实施例的混频后的信号频谱示意图。

图8是本发明的一实施例的低通滤波后的信号频谱示意图。

图9是本发明的一实施例的下采样后的信号频谱示意图。

图10是本发明的一实施例的0频点(基频)分量置零后的信号频谱示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

【排水管道水体速度的测量系统】

图1是本发明的排水管道水体速度的测量系统的结构示意图。如图1所示，在本发明中，本发明提供的排水管道水体速度的测量系统，包括：高速处理器和低速处理器，以及受所述高速处理器控制的超声波传感器、可变增益放大器、模拟数字转换器、第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器和功率放大器。其中，所述第一数字模拟转换器与功率放大器连接，并通过超声波传感器向管道的液体发送超声波探测信号，超声波传感器与所述可变增益放大器连接，并接收从所述液体返回的超声波回传信号；所述可变增益放大器与所述超声波传感器和所述第二数字模拟转换器连接，用于动态增益调节所述超声波传感器接收的超声波回传信号，以将所述超声波回传信号调节至预定的数据区间内，例如将超声波回传信号调节至[-20000，20000]的预定的数据区间内；所述模拟数字转换器一端与所述可变增益放大器连接，另一端与所述高速处理器连接，用于以高采样速率采集经所述可变增益放大器调节后的超声波回传信号，生成高速采样信号并发送给所述高速处理器；所述高速处理器与所述低速处理器连接，用于对所述高速采样信号执行高速处理，其中，在所述高速处理过程中，对所述高速采样信号先进行正交调制，即IQ调制后，再经过低通滤波处理以保留调制后的低频信号，并将具有低频率信号发送给所述低速处理器；具体地，所述模拟数字转换器可以16M速率采集经动态调整后的超声波回传信号，采集的高速采样信号分别进入I通道和Q通道后，第一次4比1下变频后为4M信号，然后4M方波混频，经40KHz低通滤波将40KHz以上的高速信号过滤掉之后，再100比1下采样为40KHz信号；所述低速处理器用于对所述低速采样信号执行低速处理，以确定管道流体的速度和管道流体的速度方向；所述第一数字模拟转换器与所述高速处理器连接，将所述高速处理器控制发送的超声波数字信号转换为模拟信号；所述第二数字模拟转换器与所述可变增益放大器连接，所述高速处理器通过调节所述第二数字模拟转换器的输出电压来动态调节所述可变增益放大器的输入电压，进而动态调节所述超声波回传信号的增益；所述功率放大器一端与所述第一数字模拟转换器连接，另一端与所述超声波传感器连接，用于将所述第一数字模拟转换器转换的模拟信号进行放大，并驱动所述超声波传感器发射超声波；所述存储器与所述高度处理器连接，用于存储所述高速处理器所处理的信号数值。

在本发明中，超声波传感器可为收发一体式超声波传感器。低速处理器可为微处理器，高速处理器可为可编程逻辑控制器，微处理器挂接可编程逻辑控制器，微处理器通过串行通信接口SPI与可编程逻辑控制器进行通讯，可编程逻辑控制器控制外围器件，包括第一数字模拟转换器和第二数字模拟转换器，模拟数字转换器，以及存储器。其中，可编程逻辑控制器、第一数字模拟转换器、功率放大器、和超声波传感器构成发送超声波信号的发送路径；超声波传感器、可变增益放大器、第二数字模拟转换器、模拟数字转换器和可编程逻辑控制器构成接收超声波信号的接收路径。具体地，当要发送超声波信号时，可编程逻辑控制器输出超声波数字信号，第一数字模拟转换器接收并将可编程逻辑控制器发送的数字信号转换为模拟信号，再经过功率放大器后通过超声波发射探头发送出去，以探测目标物体的速度，在本发明中，目标物体是管道中的流体，更确切的是管道中的污水。当接收超声波信号时，超声波接收探头接收经目标物体表面反射回的超声波回传信号，接收的信号经过可变增益放大器进行动态增益调节(具体调节过程随后介绍)，再通过模拟数字转换器采集转换为数字信号后传递给可编程逻辑控制器进行处理，由可编程逻辑控制器将处理后的数据存储到存储器上面，等待微处理器的读取。

此外，本发明的排水管道水体速度的测量系统还包括晶振源(未图示)，所述晶振源与所述高速处理器连接，所述晶振源与所述高速处理器连接，所述高速处理器以所述晶振源为时钟源，发射所述超声波探测信号和IQ调制信号，使得所述I Q调制信号的调制频率与超声波探测信号的发射频率相同。

在本发明中，所述高速处理具体可包括：复制两份所述高速采样信号，分别进入I通道和Q通道，依次通过第一次降频处理、混频处理、低通滤波处理和第二次降频处理。其中，所述混频处理包括：将I通道和Q通道中经第一次降频处理后的采样信号分别与I通道调制信号和Q通道调制信号进行调制，生成IQ调制信号。在本发明中，I通道调制信号为[1，1，-1，-1]，Q通道调制信号为[1，-1，-1，1]，这样，在混频过程中，采样信号中每个数据乘以1的计算步骤可以简化为取信号本身，信号中每个数据乘以-1的计算步骤可以简化为取信号的相反数，如此既简化了计算过程，又节约了处理器的资源。

所述低速处理具体可包括：对IQ调制信号进行快速傅里叶变换，去掉0频率点上的基频分量，检测关于速度信号的频谱峰值以获取速度频偏，进而计算流体的速度和判断流体的速度方向。如果检测的关于速度信号的频谱峰值对应的I通道相位比Q通道相位大90度，则确定速度方向为正方向，否则为负方向。

在利用本发明的排水管道水体速度的测量系统对流体的速度进行测量时，主要利用超声多普勒的流速测量原理来测量管道污水的流速。超声多普勒的流速测量原理为：静止的波源持续发射固定频率的超声波，其在运动物体上的反射波对于发射波频率会产生一个频率偏移，这个频偏的多少与运动物体的速度存在直接关系，如下述【公式1】所示。因此可通过接收发射波来检测频偏的方式来检测物体速度。

【公式1】

其中，df为速度频偏，f_stimulus是超声波的发射频率，v_flow为流体的流速，v_sound为超声在水中的传播速度，为1500m/s。

<动态增益调节>

在接收到超声波回传信号后，可编程逻辑器件可通过调节第二数字模拟转换器的输出电压来调节可变增益放大器的输入电压，进而实时动态的调节接收信号的能量幅值，可变增益放大器放大的信号能量值与可变增益放大器的输入电压成正比，通过公式表示为：E_vga＝K₂*V_DA2，其中：E_vga为可变增益放大器增益能量值；K₂为可变增益放大器增益斜率；V_DA2为第二数字模拟转换器输出电压值。其中，可变增益放大器的输入电压，与第二数字模拟转换器的输入数字值成正比，通过公式表示为：V_DA2＝V_DA2ref*D_DAin/D_num，其中，V_DA2ref为第二数字模拟转换器基准电压；D_DAin为第二数字模拟转换器的输出数字量数值；V_DA2为可变增益放大器的输入电压；D_num为第二数字模拟转换器输出数字量总值。

通过可变增益放大器的动态增益调节，使得通过模拟数字转换器采集后的采样信号始终保持在一个预定的数据区间之内，例如，保持在[-20000，20000]的数据区间内，从而确保了计算精度。在每次测量时，可编程逻辑控制器都会检查采集的数据范围是否位于预定的数值区间内，如果没有落入预定的数据区间内，则需要对采样信号进行动态增益调节，以使得采样信号的数值落在合理的数值区间内，为节省测量时间和避免过多的功率消耗，可设置动态调整次数，例如，允许每次测量可以最多10次动态增益调节。

本发明的排水管道水体速度的测量系统主要具有以下特点：(1)对接收的超声波模拟信号进行动态增益调节。具体地，可编程逻辑控制器通过调节第二数字模拟转换器的输出电压来实时调节可变增益放大器的输入电压，进而动态调节接收信号的模拟增益数值。由于实测管道污水的水位变化和杂质变化，接收的模拟信号强度会出现变化。对于模拟数字转换器，如果接收的模拟信号变化太强，则会出现采样信号过载的情况；如果接收的模拟信号变化太弱，则会使得后续处理输入的有效数字不足，从而失去计算精度。所以采用可变增益放大器来动态调节模拟信号的幅值可以有效的防止这两种情况的出现，即在强信号的时候降低可变增益放大器的增益值，而在弱信号的时候提高可变增益放大器的增益值，使采样后的模拟数字转换器输出的采样信号始终保持在一个合适的区间之内，这对于复杂多变的信号环境是具有重要意义的。(2)高速信号和低速信号分开处理。模拟数字转换器以高采样频率采样的高频信号在可编程逻辑控制器内完成，微处理器读取的是可编程逻辑控制器处理后的低频信号，微处理器负责后续的信号处理(对低频信号做快速傅里叶变换，然后检测出速度对应的频谱偏移值，并根据频谱偏移值计算速度大小和判断速度的方向)，这样充分的利用了可编程逻辑控制器在高频信号上的实时性，同时也利用了微处理器强大的硬件功能和低功耗特性，从而既保证了信号的处理速度，又降低了整个系统的功耗。在本发明中，高速采样信号是指具有高频率的信号，低速采样信号是指具有低频率的信号。

【管道流体速度的测量方法】

以下，参考图2至图10对本发明的管道流速的测量方法进行介绍。

图2是本发明的测量方法的流程图。如图2所示，本发明的管道流速的测量方法包括以下步骤：

S101：接收超声波回传信号并进行动态增益调节

具体地，可编程逻辑控制器控制超声波传感器接收探头接收从管道中的流体处反射回的回传信号，然后控制可变增益放大器动态增益调节该回传信号，使得调整后的回传信号位于预定的数据区间；

S102：高速采集动态增益调节后的信号，并对采集的高频信号进行高速处理

具体地，可编程逻辑控制器控制模拟数字转换器以高采样速率采集经可变增益放大器动态增益调节后的回传信号。在作为高速处理器的可编程逻辑控制器中对模拟数字转换器采集的采样信号进行高速处理，使得处理后的信号具有低频率。

S103：对高速处理后的信号进行低速处理，计算流速并判断流速方向

具体地，在作为低速处理器的微处理器中对具有低频率的信号进行低速处理，提取关于流体的速度的信号频谱值，计算流体的速度并判断流体的速度方向。

具体的测量过程如图3所示，以下参考图3对本发明的测量方法的进行进一步描述。

<高频信号处理和低频信号处理>

如图3所示，本发明的测量方法包括高频信号处理部分和低频信号处理部分。高频信号处理由前述的可编程逻辑控制器执行，低频信号处理由前述的微处理器执行。高频信号处理包括依次对采集的高频回传信号执行第一次降频处理、混频处理、低通滤波处理和第二次降频处理。具体地，在本发明的一示例中，可编程逻辑器件控制模拟数字转换器以16M速率采集经可变增益放大器动态增益调节后的超声波回传信号，第一次4比1下变频后为4M信号(第一次降频处理)，即每隔4个信号采集1个信号，然后经4M方波混频，即IQ两路调制后的信号，经40KHz低通滤波将40KHz以上的高频信号过滤掉之后，再100比1下采样为40KHz信号(第二次降频处理)，即每隔100个信号采集1个，从而完成高频信号处理，即将采集的高速信号处理为低频信号，该处理过程在可编程逻辑控制器内实现，对应图3中的虚线的左边部分。40KHz信号会存储在存储器中，微处理器与可编程逻辑控制器通过SPI通信，从该存储器中读取采样数据做快速傅里叶变换(FFT)，提取流速信号峰值，并判断流速方向，这部分内容在微处理器完成，对应低频信号处理部分，对应图3中的虚线右边的部分。

高速信号处理

在本发明的高频信号处理过程中，采用正交调制算法，即IQ算法对所述回传信号进行混频处理。本发明中正交调制(IQ)信号与超声波探测信号使用同一个晶振为时钟源(即同源时钟)，用于将高速采集的超声波信号进行IQ调制，分别调制成I通道调制信号和Q通道调制信号，在本发明中，I通道调制信号为[1，1，-1，-1]，Q通道调制信号为[1，-1，-1，1]，使用这样的调制信号，能够通过简单的加减算法实现乘法功能，节约了设计资源。

本发明中的同源晶振是指与可编程逻辑控制器连接的一个物理晶振(位于可编程逻辑控制器的外围)，如32M的物理晶振，来作为发射信号的时钟源和IQ解调信号的时钟源，即本发明中采用产生发波信号的同源时钟来生IQ调制信号，这样发波信号和IQ调制信号没有频率偏差，都以同一个时钟源为基准时钟，避免不同源时钟导致的频率偏差对速度频偏检测的干扰。

具体地，高速采样信号经可变增益放大器动态增益调节后，经模拟数字转换器采集后被复制为两组，分别与I通道调制信号和Q通道调制信号调制，两个调制信号彼此正交相位相差90度，由于本发明发波信号和IQ调制信号使用的是同源晶振(即同一个晶振源)，因此，调制频率与发射频率完全相同。相关IQ调制原理如下：

假设发射信号频率为f_stimulus，发射信号为sin(2πf_stimulust)，接收信号为sin(2π(f_stimulus+df)t+phase)，其中df是速度频偏，phase是相位随机延迟，t为时间。

I通道调制信号：sin(2πf_modt)，调制信号的频率是f_mod。在本发明的一实施例中，发射信号频率f_stimulus为1Mhz，相应的调制信号的频率是f_mod也为1Mhz。

I通道调制：

I通道低通滤波结果:

由于本发明中发射信号的频率f_stimulus＝1Mhz，调制信号频率f_mod＝1Mhz，这样I通道调制后的信号公式经过低通滤波器后等于cos(2π(f_stimulus+df-f_mod)t+phase，由于f_stimulus＝f_mod，进而可得到I通道低通滤波结果为：

上述I通道调制对应前述高速信号处理中的混频1Mhz处理步骤，通过利用三角函数积化和差公式，将调制信号进行信号分解，然后将调制信号进行低通滤波处理，将模拟数字转换器后的高频信号降下来，从而能够更好的提取了df，方便后述的快速傅里叶变换，既简化了频谱曲线的复杂度，又降低了计算难度。

Q通道调制信号：cos(2πf_modt)

<Q通道调制>

Q通道低通滤波结果:sin(2π(df)t+phase)

Q通道调制与I通道调制原理类似，为避免赘述，省略对其详细介绍。

低速信号处理

低速信号处理在微处理器中进行，主要是对低通滤波处理后的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，相关原理如下：

傅里叶变换FFT之后的结果是：I_FFT和Q_FFT。IQ通道信号在做快速傅里叶变换后会得出幅值信息和相位角信息，幅值信息可以通过得到的频谱图来确定。

根据傅里叶变换的结构，在I_FFT中去掉已知位置的0频率点上的基频分量，也就是，将：I_FFT和Q_FFT的0频点幅值降为0，然后在I_FFT图谱中查找最大幅值的点，即频谱峰值I_FFT(df)；同理，可得到频谱峰值Q_FFT(df)。

通过在I_FFT图谱中找到最大幅值的点来获取速度频偏df，按照上述【公式1】转换成流速。

液体流速的方向判断按照以下方法进行：

如果是正速度(靠近传感器方向)，则df＞0，I通道FFT结果的相位要超前Q通道相位90度，即

如果是负速度(远离传感器方向)，则df＜0，I通道FFT结果的相位要落后Q通道相位90度，即

也就是说，如果检测出来的速度信号的频谱值对应的I通道相位比Q通道相位大90度，即df＞0，则检测出来的速度应为正方向(靠近流速传感器方向)，否则为负方向(远离传感器方向)。

上述算法的优点在于，使用同一个晶振源来产生发射信号和混频信号，相对于发射信号和混频信号不同时钟源的情况有效避免了基频杂散，即减少了0频点的数目。IQ算法在FFT后可以直接将I_FFT在0频率点上的基频分量置零，这对于查找频谱峰值I_FFT(df)的干扰会比较少，从而能够准确的测量流体的流速。

【实施例】

以下，参考附图4至图10对本发明的一示意性实施例进行介绍。

首先，可编程逻辑控制器控制可变增益放大器对超声波接收探头接收的超声波信号进行动态增益调节，接着可编程逻辑控制器控制模拟数字转换器以16M速率采样4096*100个点，然后判断这些数据采集点是否落入预定的数据区间内，如果没有则继续进行动态调整。在调整过程中，如果可变增益放大器调节过小，信号范围会落在-400至400之间，如图4所示，而对于16位的模拟数字转换器采样数据的范围在-32768至32767之间，信号范围过小会浪费数据的精度。而如果可变增益放大器调节过大，如图5所示，在超出数据表示范围后，波形被强行截止，这给后续的处理引入了高频的噪声。因此，需要将数据范围调整到合适的数据区间内，在一示例中，数据范围落入-20000至20000(预定的数据区间)之间，能够比较好的利用整个模拟数字转换器数据范围，提高精度又不出现截止，如图6所示。

在采集的数据范围经可变增益放大器动态增益调节落入预定的数据区间内之后，执行高速信号处理的。

具体地，采样信号复制两份分别进I通道和Q通道，经第一次下变频处理后，即4比1下变频后，分别与I调制信号[1,1,-1,-1]和Q调制信号[1,-1,-1,1]进行混频，在混频过程中，采样信号中每个数据乘以1的计算步骤可以简化为取信号本身，信号中每个数据乘以-1的计算步骤可以简化为取信号的相反数，如此既简化了计算过程，又节约了处理器的资源，图7是混频后输出信号的频谱示意图。

接着，对IQ调制后的信号进行低通滤波处理，图8是通过低通滤波之后的信号的频谱示意图，通过图8，可以清晰的看到，幅度比较大的0频(x＝0)的分量是基频分量，旁边(x＝5000)幅度比较小的分量是速度频谱分量。接着，继续对信号进行降频处理，即100比1下采样。如此，完成高速信号处理，经处理后的低频信号进入微处理器中进行低速处理，图9是100比1下采样以后信号频谱示意图。

在微处理器中，分别对低频的信号执行快速傅里叶变换，得到信号频谱图，以及I通道和Q通道的相位角信息。具体地，可将I_FFT在0频率点上的基频分量置零，再在得到的信号频谱图中查找频谱峰值，获取速度频偏df，图10是将0频点(x＝0)的幅度置0以后的信号频谱示意图，参考图10，可以比较清晰的看到速度频谱在x＝5000处为峰值，即df＝5000Hz。代入上述【公式1】可以得到：

通过做快速傅里叶变换，得到I通道该点(x＝5000Hz)的相位角为84.2度，Q通道的相位角为-10.4度，I通道相位角超前Q通道相位角94.6度，由此判断出速度方向是正方向，即靠近探头方向，本次测量的速度大小是3.75m/s。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本公开的较佳实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种排水管道水体速度的测量系统，其特征在于，包括：高速处理器和低速处理器，以及受所述高速处理器控制的超声波传感器、可变增益放大器、模拟数字转换器、第一数字模拟转换器、第二数字模拟转换器、功率放大器；

其中，所述第一数字模拟转换器，与所述高速处理器连接，将所述高速处理器控制发送的超声波数字信号转换为模拟信号，通过超声波传感器向管道的液体发送超声波探测信号；

所述第二数字模拟转换器，与所述可变增益放大器连接，所述高速处理器通过调节所述第二数字模拟转换器的输出电压来动态调节所述可变增益放大器的输入电压，进而动态调节所述超声波传感器接收的超声波回传信号的增益；

所述功率放大器，一端与所述第一数字模拟转换器连接，另一端与所述超声波传感器连接，用于将所述第一数字模拟转换器转换的模拟信号进行放大，并驱动所述超声波传感器发送所述超声波探测信号；

所述可变增益放大器与所述超声波传感器和所述第二数字模拟转换器连接，用于动态增益调节所述超声波传感器接收的超声波回传信号，以将所述超声波回传信号调节至预定的数据区间内；

所述模拟数字转换器一端与所述可变增益放大器连接，另一端与所述高速处理器连接，用于以高采样速率采集经所述可变增益放大器调节后的超声波回传信号，生成高速采样信号并发送给所述高速处理器；

所述高速处理器与所述低速处理器连接，用于对所述高速采样信号执行高速处理，其中，在所述高速处理过程中，对所述高速采样信号先进行正交调制，即IQ调制后，再经过低通滤波处理以保留调制后的低频信号，并将低频信号发送给所述低速处理器；

所述低速处理器用于对所述低频信号执行低速处理，以确定管道流体的速度和管道流体的速度方向。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述高速处理具体包括：复制两份所述高速采样信号，分别进入I通道和Q通道，依次通过第一次降频处理、混频处理、低通滤波处理和第二次降频处理。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述模拟数字转换器以16M速率采集经动态调整后的超声波回传信号，采集的高速信号分别进入I通道和Q通道后，第一次4比1下变频后为4M信号，然后经4M方波混频，经40KHz低通滤波将40KHz以上的高速信号过滤掉之后，再100比1下采样为40KHz信号。

4.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述混频处理包括：将I通道和Q通道中经第一次降频处理后的采样信号分别与I通道调制信号和Q通道调制信号进行调制，生成IQ调制信号。

5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述I通道调制信号为[1，1，-1，-1]，所述Q通道调制信号为[1，-1，-1，1]。

6.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述低速处理具体包括：对低通滤波后的100比1下变频信号进行快速傅里叶变换，去掉0频率点上的基频分量，检测关于速度信号的频谱峰值以获取速度频偏，进而计算流体的速度和判断流体的速度方向。

7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，如果检测的关于速度信号的频谱峰值对应的I通道相位比Q通道相位大90度，则确定速度方向为正方向，否则为负方向。

8.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，还包括：

晶振源，所述晶振源与所述高速处理器连接，所述高速处理器以所述晶振源为时钟源，发射所述超声波探测信号和混频处理中使用的混频信号，使得所述I通道调制信号和所述Q通道调制信号的调制频率与超声波探测信号的发射频率相同；

存储器，与所述高速处理器连接，用于存储所述高速处理器所处理的信号数值。

9.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述流体的速度通过下述公式得出：

其中，df为速度频偏，f_stimulus为发射超声波探测信号的发射频率，v_sound为超声波在水中的传播速度。

10.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述预定的数据区间为[-20000，20000]。