CN107144506A - 一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法与装置，本发明采用的环状多频段交织阵列可结合多普勒效应在线测量悬浮物的浓度和线度分布、悬浮水体的三维流速，实现水质的实时监测。通过将所需测量的频率范围分成不同的频段，利用不同的收发换能器阵列对测量信号进行发送和接收，能通过一次测量得出线度范围相当大的各种悬浮物的浓度和线度分布。

Description

一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法与装置
技术领域
本发明涉及液体悬浮物动态监测技术领域，特别涉及一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法与装置。
背景技术
悬浮物浓度是水环境质量的重要影响因素之一，也是环境监测的一项重要指标。同时，悬浮物的沉降，也会形成藻类污染事件。水下悬浮物浓度和速度的检测技术，特别是多尺度分辨悬浮物的检测技术，对水污染的防治和海洋经济的发展有重要意义。
对于悬浮物的检测，目前市场已有现成的测试仪器和方法。第一，重量法通过采样、过滤、烘干、称重等过程测量悬浮物浓度，测量准确，操作简单，但是采样条件和测定条件都会对测量结果的准确性产生影响，少量点的数据也难以反映大范围水域水质的变化和分布情况。第二，光学法利用光的衰减和散射来测量悬浮物浓度，但一般使用的光学仪器设备精细，成本高，同时光在水中的光学性质会随着水中悬浮物浓度的变化而变化，因此也限制了光学法的应用。第三，遥感技术通过卫星或航空遥感信息进行大面积范围内水质情况(包括悬浮物含量)的空间分布及动态的定量分析，具有宏观、大面积、周期性动态监测的特点。但是，卫星遥感的数据需要用现场数据进行验证，同时与现场数据建立模型，这仍然对悬浮物浓度和线度测量的实时、方便快捷性以及广泛使用产生了限制。测试仪器如浊度仪，其标准仪器为杰克逊烛光浊度计，该浊度计只能直接用于测定浊度大于25度的水样，对低浊水使用很不方便，测得结果往往因人而异。此外，上述方法一般为单独测量悬浮物浓度和线度，且没有考虑悬浮物的运动。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法，利用不同的收发换能器阵列对测量信号进行发送和接收，能通过一次测量得出线度范围相当大的各种悬浮物的浓度和线度分布。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述方法的悬浮物动态监测装置。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法，包括以下步骤：
S1、发送测量信号；
测量装置相对于地面处于静止状态，在含有悬浮物的水中竖直向下发送测量信号s(t)：
式中，A是信号的幅度，W是信号的单边带宽，f0是信号的中心频率，其功率谱图在正半轴上为幅度为0.5A、带宽为2W、中心频率为f0的矩形脉冲：
f0-W＜f＜f0+W；
每隔周期T发送一次，即发送频率为F＝1/T，发送时长为T0，T0<T；
s(t)频率范围应包含在所用发射换能器和接收换能器的频率范围中，且发射换能器正下方有一个反射体，以保证接收换能器能充分接收到反射信号；
S2、计算信号到达反射体时的频率；
选取地面作为参考系，以超声发射探头S的位置为坐标原点，垂直地面向下为z方向建立空间直角坐标系，则S的坐标为(0,0,0)，反射体G的坐标为(0,0,z)，相应的多个接收换能器均和超声发射探头S在同一平面上；
发射换能器S向z轴正方向，即方向发射测量信号，发送频率为F，z方向的单位向量可表示为设水流速度为其中vwx，vwy，vwz分别代表水流速度在坐标轴x、y、z三个方向上的分量，则水流速度在S→G方向的速度为：
对于水中的悬浮物，由于悬浮物体积和质量都较小，在水中的流速主要与水流速度有关，因此估计悬浮物的沉降速度或流动速度可转换为计算悬浮水体的流速；假设声波在水下的传播速度为c，由于信号发射点S静止，根据多普勒效应可得，信号到达反射体时的频率为：
S3、计算信号到达接收探头时的频率；
L表示测量信号从发射换能器S出发传至反射体G最后传至接收换能器Ri的距离，为测量信号从反射体G传至接收换能器Ri的传播方向，αi、βi、γi分别为向量与坐标轴x、y、z的夹角，可得到向量的单位向量为则水流速度在G→Ri方向上的速度为：
声波由反射体G至接收点Ri的过程中，受到水流的作用，因此测量信号会受到多普勒效应；对于测量信号s(t)，在发送端每隔周期T发送一次，信号在水中传播的过程中由于多普勒效应产生多普勒频移，因此接收端Ri最终接收到的反射信号ri(t)的周期为接收频率由于接收端没有运动，因此信号到达第i个接收换能器Ri时的频率为：
整理，得到测量信号s(t)从发送到接收的过程中，接收频率与发送频率之间的关系为：
其中，Δ为多普勒因子；
S4、需要M个的接收换能器列出如上式所示的M个的等式，M≥3，即可求出上述三个未知数，由此求得悬浮水体的三维流速，即为悬浮物的速度；
S5、估计悬浮物的浓度和线度分布；
利用信号功率谱对悬浮物浓度及线度分布做估计过程如下：
S5-1、采样；
由于测量信号s(t)在水中受到衰减，同时受多普勒效应的影响，因此对第i个接收换能器Ri接收到的信号ri(t)，i＝1,2,..,M，采样后得到的信号为：
其中，Bi、Δi分别为接收信号的幅度和多普勒因子，wi(n)为信号噪声，采样频率fs＝1/Ts(fs＞2f(f0+W))，Δi可由步骤S3求出；
S5-2、对接收信号ri(n)的自相关函数Ri(n)作2N点离散傅里叶变换，得
S5-3、对该收发阵列的信号进行分析，发射换能器S的系统函数为H1(f)，接收换能器的系统函数均为H2(f)，同一个收发阵列中的接收换能器参数相同，且系统函数H1(f)和H2(f)可通过查看相应的换能器参数获得；
测量信号s(t)发射出去时先经过系统H1(f)，同时，接收到的信号ri(t)也先经过系统H2(f)，因此在水中传播前和在水中传播过后的测量信号功率谱分别为H1(f)S(f)和
S5-4、由步骤S5-3，测量信号在接收换能器Ri相应的fsk/N频点上的离散信号功率谱为测量信号在发射换能器S相应的fsk/N频点上的离散信号功率谱为由此得到衰减参数Qk：
表示测量信号经过水体前后的衰减参数；
S5-5、对于M个接收换能器接收的信号，对信号相应区间离散功率谱进行叠加，根据衰减参数Qk(k＝0,1,…,N-1)和传输距离L反演出悬浮物的浓度，而测量信号的每个频点fsk/N则对应了四分之一波长线度的悬浮物的浓度。
优选的，使用多个发射换能器；每个发射换能器发送不同频率范围的测量信号，如需要测量的宽频率范围为[f1,fm]，则可将该宽频段分为N段[f1,f2]、[f3,f4]、……、[fm-1,fm]，使用N个发射换能器，第一换能器发送频率范围为[f1,f2]的测量信号s1(t)，第二换能器发送频率范围为[f3,f4]的测量信号s2(t)，依此类推；一个发射换能器对应一个收发阵列，对不同收发阵列重复步骤S1-S5，可估计出水体中悬浮物的浓度、线度分布以及速度。
具体的，不同的频段可连续也可相隔一定的距离，且用于接收该测量信号的换能器也应为相应频段的接收换能器。
一种基于上述方法的悬浮物动态监测装置，包括操作模块、处理模块、收发模块和输出模块和电源，电源为所有模块供电；操作模块与处理模块连接，处理模块分别与收发模块以及输出模块相连；
收发模块包括测量架、N个反射体和N个收发阵列；测量架用于将反射体以及不同的收发阵列连接固定；收发阵列之间相隔一定的距离；每个收发阵列包括一个发射换能器和M个接收换能器，M≥3，所有换能器的信号发射面或接收面均位于同一水平面；每个收发阵列中的接收换能器都和发射换能器相连，同个收发阵列中接收换能器到发射换能器的距离相同，同个收发阵列中的收发换能器频率匹配；反射体位于不同收发阵列正下方，且N个反射体的反射面在同一水平面上；
操作者通过操作模块输入对应的参数，处理模块根据参数信息产生各段测量信号，传送给收发模块中相应频段的收发阵列的发射换能器发射并控制发射换能器的发送周期；对于该收发阵列中发射换能器发射的信号，其对应的接收换能器阵列接收反射信号，传送给处理模块；处理模块计算出悬浮物的浓度和线度分布，同时，根据多普勒效应计算悬浮水体的三维流速；最后将测量出来的悬浮物的浓度和线度分布值、水体流速值传送给输出模块输出显示。
优选的，收发阵列的数目N根据应用场景和测量的范围而定。
优选的，固定反射体的测量架横架可上下调节高度。
优选的，处理模块包括数字处理器、数模转换器及模数转换器。
优选的，反射体采用利于信号反射的材料。
优选的，测量架采用耐腐蚀的硬质材料。
优选的，收发阵列之间用金属或塑料材料相连。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过将所需测量的频率范围分成不同的频段，利用不同的收发换能器阵列对测量信号进行发送和接收，能通过一次测量得出线度范围相当大的各种悬浮物的浓度和线度分布。
2、采用的环状多频段交织阵列可结合多普勒效应在线测量悬浮物的浓度和线度分布、悬浮水体的三维流速，实现水质的实时监测。
3、本发明采用的环状多频段交织阵列能实现不同频段信号的相互分离，能有效抑制不同频段的测量信号之间的干扰。
4、本发明的反射体采用利于信号发射的材料，使接收换能器能接收到充分多的反射信号。
5、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、可行性强。
附图说明
图1为分析信号从发射换能器传至水下反射体的过程示意图；
图2为分析信号从反射体传至接收换能器阵列的过程示意图；
图3为测量信号收发状态示意图；
图4为装置模块组成及连接示意图；
图5为装置的收发模块具体结构示意图；
图6为环状收发阵列结构图；
图7为测量装置的具体实施过程流程图。
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。
实施例1
声波是弹性波，在水中具有损耗小、传播距离远的特点，因此本方法利用声波作为测量信号。要测量多种尺度(不同直径大小)的近海及河口的水中悬浮物，其中尺度从分米级(海草、浮游垃圾等)跨度到毫米甚至到微米级(有机和无机碎屑，海藻、细沙等)，理论上需要使用波长为0.25倍悬浮物尺度的宽频带超声进行探测(探测频率跨度从10kHz到10Mkz或以上)。现有水声换能器频率范围从数十赫兹到数千赫兹，甚至可以达到几十兆赫兹，但是，单个换能器的频率跨度难以囊括水体悬浮物的尺度范围。因此需要多个不同频率范围的测量信号，每个发射换能器发送某段频率范围的信号，使用多个水声换能器将信号进行发送和接收，在技术上则可通过多频带水声换能器组合实现，即探测系统是一个多发多收阵列结构；此外若要获得悬浮物的三维流速，则需要一发多收阵列结构。
基于上述原理，本实施例提供一种基于环状多频段交织阵列的主动式水声检测模型和利用多普勒效应的悬浮水体三维流速检测方法。
本实施例使用如式(1)所示的测量信号：
式中，A是信号的幅度，W是信号的单边带宽，f0是信号的中心频率，其功率谱图在正半轴上为幅度为0.5A、带宽为2W、中心频率为f0的矩形脉冲。
f0-W＜f＜f0+W (2)
由于一个发射换能器只能发送一定频率范围的超声信号，因此需要使用多个发射换能器。每个发射换能器发送不同频率范围的测量信号，如实验需要测量的宽频率范围为[f1,fm]，则可将该宽频段分为N段[f1,f2]、[f3,f4]、……、[fm-1,fm]，使用N个发射换能器，换能器1发送频率范围为[f1,f2]的测量信号s1(t)，换能器2发送频率范围为[f3,f4]的测量信号s2(t)，依此类推。且这些不同的频段可连续也可相隔一定的距离，如以上划分的频率f2和f3之间可相隔一定的距离也可使f2＝f3，且用于接收该测量信号的换能器也应为相应频段的接收换能器。
接下来以其中一个发射换能器为例，分析本实施例的测量方法步骤。
步骤S1：发送测量信号
测量装置相对于地面处于静止状态，在含有悬浮物的水中竖直向下发送测量信号，即式(1)中的s(t)，每隔周期T发送一次，即发送频率为F＝1/T，发送时长为T0(T0<T)。s(t)频率范围应包含在所用发射换能器和接收换能器的频率范围中，且发射换能器正下方有一个反射体，以保证接收换能器能充分接收到反射信号。
步骤S2：分析信号从发射换能器传至反射体的过程
该步骤分析声波从超声发射换能器传至水下反射体的过程，计算信号到达反射体时的频率。
如图1所示，选取水面作为参考系，以超声发射探头S的位置为坐标原点，垂直地面向下为z方向建立空间直角坐标系，则S的坐标为(0,0,0)，反射体G的坐标为(0,0,z)，相应的三个接收换能器R1、R2、R3均和超声发射探头S在同一平面上。由步骤S1可知，发射换能器S向z轴正方向发射测量信号，即图1中的发送频率为F，z方向的单位向量可表示为
设水流速度为其中vwx，vwy，vwz分别代表水流速度在坐标轴x、y、z三个方向上的分量，则水流速度在S→G方向的速度为
对于水中的悬浮物，由于悬浮物体积和质量都较小，在水中的流速主要与水流速度有关，因此估计悬浮物的沉降速度或流动速度可转换为计算悬浮水体的流速。假设声波在水下的传播速度为c，由于信号发射点S静止，根据多普勒效应可得，信号到达反射体时的频率为
步骤S3：分析信号从反射体传至接收换能器阵列的过程
此过程分析信号从反射体传至接收换能器阵列的过程，计算信号到达接收探头时的频率。
如图2所示为接收过程，三个接收换能器R1、R2、R3与发射换能器S等距，L表示测量信号从发射换能器S出发传至反射体G最后传至接收换能器Ri(i＝1,2,3)的距离，为测量信号从反射体G传至接收换能器Ri的传播方向，αi、βi、γi分别为向量与坐标轴x、y、z的夹角，可得到向量的单位向量为则水流速度在G→Ri方向上的速度为
声波由反射体G至接收点Ri的过程中，受到水流的作用，因此测量信号会受到多普勒效应。对于测量信号s(t)，在发送端每隔周期T发送一次，信号在水中传播的过程中由于多普勒效应产生多普勒频移，因此接收端Ri最终接收到的反射信号ri(t)的周期为接收频率由于接收端没有运动，因此信号到达第i个接收换能器Ri时的频率为
整理，得到测量信号s(t)从发送到接收的过程中，接收频率与发送频率之间的关系为
其中，Δ为多普勒因子。式(7)中含有三个未知数vwx、vwy和vwz，因此需要三个或以上的接收换能器列出如上式所示的三个以上的等式，即可求出上述三个未知数(若列出的等式在三个以上，则在等式中选取线性无关的三个等式求解三个未知数)，由此求得悬浮水体的三维流速，即为悬浮物的速度。本实施例使用三个换能器和一个发射换能器相匹配，构成一个收发阵列，如图1、图2中的(S，R1，R2，R3)构成了一个收发阵列。
在本实施例中，同个收发阵列中各个接收换能器与发射换能器等距，因此在同个收发阵列中，测量信号从发射换能器S出发至反射体G最后传至各个接收换能器的距离均为L。
步骤S4：估计悬浮物的浓度和线度分布
由步骤S3可知，对于同一测量信号，需要三个或以上的接收换能器进行接收，本实施例使用三个接收换能器R1、R2、R3。由于信号在水中会受到悬浮物及水体的作用以及多普勒效应，因此接收端接收到的信号频域不等幅，且对于发射信号s(t)，在实际应用中受发射换能器或其他器件的影响，其功率谱图可能也不等幅。因此，对该收发阵列，利用信号功率谱对悬浮物浓度及线度分布做估计过程如下：
I.采样。由于测量信号s(t)在水中受到衰减，同时受多普勒效应的影响，因此对第i个接收换能器Ri接收到的信号ri(t)(i＝1,2,3)采样后得到的信号为
其中，Bi、Δi分别为接收信号的幅度和多普勒因子(i＝1,2,3)，wi(n)为信号噪声，采样频率fs＝1/Ts(fs＞2f(f0+W))，Δi可由公式(7)求出。
II.对接收信号ri(n)的自相关函数Ri(n)作2N点离散傅里叶变换(DFT)，得
III.对该收发阵列的信号进行分析，如图3中的C点和Di点(i＝1,2,3)。发射换能器S的系统函数为H1(f)，三个接收换能器的系统函数均为H2(f)(同一个收发阵列中的接收换能器参数相同)，且系统函数H1(f)和H2(f)可通过查看相应的换能器参数获得。如图所示，测量信号s(t)发射出去时先经过系统H1(f)，同时，接收到的信号ri(t)也先经过系统H2(f)，因此在水中传播前和在水中传播过后的测量信号功率谱分别为H1(f)S(f)和SRi(f)/H2(f)。
IV.由III，测量信号在Di点相应的fsk/N频点上的离散信号功率谱为测量信号在C点相应的fsk/N频点上的离散信号功率谱为由此得到衰减参数Qk，
表示测量信号经过水体前后(即图3中的C点和Di点)的衰减参数。
V.对于三个接收换能器接收的信号，对信号相应区间离散功率谱进行叠加，根据衰减参数Qk(k＝0,1,…,N-1)和传输距离L，利用现有的方法或实验公式可以反演出悬浮物的浓度，而测量信号的每个频点fsk/N则对应了四分之一波长线度的悬浮物的浓度。
步骤S5：对其他收发阵列重复以上步骤，估计悬浮物的浓度和线度
步骤S4中关于功率谱的分析均在正半轴，且是对单个收发阵列中的一个发射换能器及相应的三个接收换能器作分析，其他频段的收发阵列分析一致。利用多个收发阵列，构成一个交织阵列，并根据步骤S1～4，收发多段频段的测量信号，通过分析测量信号经过水体前后的功率谱、多普勒效应等可估计出水体中悬浮物的浓度、线度分布以及速度。
上述方法通过环状多频段交织阵列的主动式声检测模型，将相同频段的一个发射换能器和三个或三个以上的接收换能器组成一个环状收发阵列，收发结合，可抑制不同频段换能器之间的干扰。利用多个负责不同频段的收发阵列、根据收发信号的功率和中心频率，可实现液体悬浮物的浓度和线度估计。另外，上述方法结合多普勒效应，通过环状多频段交织阵列周期性发送测量信号并分析信号的多普勒频移，可实现悬浮水体的三维流速测量，最终实现液体悬浮物的动态监测。
应用举例：对于范围为(1.5cm,2cm)的悬浮物，由于声音在水中的传播速度c约为1500m/s，因此所需的测量频率范围约为[300KHz,400KHz]，则负责该范围的单个收发阵列的频率范围必须包含该范围。将接收到的信号进行采样，采样点数为N＝200，即有200个参数(Q0～Q199)。根据上述方法中的估计方法，利用参数(Q0～Q99)和参数(Q100～Q199)可以估计出两种线度的悬浮物浓度。
实施例2
一种基于实施例1中的方法的测量装置，包括操作模块101、处理模块102、收发模块103和输出模块104和电源，如图4所示。
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、各个换能器发射和接收所负责的频率范围、以及相应频段测量信号的信号频率、幅度和信号发送周期。
处理模块分别与收发模块以及输出模块相连，它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悬浮物浓度和线度分布、悬浮水体流速的测量结果，将结果传输给输出模块输出显示。处理模块包括数字处理器203、数模转换器201及模数转换器202。其中数字处理器203可以用DSP芯片或者ARM等实现，数模转换器(D/A)201和模数转换器(A/D)202也可以用DSP芯片实现。数字处理器根据操作模块的指令产生各段的测量信号传送给数模转换器201；另外，它从模数转换器202中获取接收信号的数据进行悬浮物的浓度和线度分布估计线度和流速估计；然后将估计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交织阵列发送，从收发模块接收信号进行模数转换传给数字处理器处理。
收发模块103包括测量架303、反射体304和N个环状收发阵列(交织阵列)。环状收发阵列的数目N根据应用场景和测量的范围而定。测量架303用于将反射体304以及收发模块103中不同的收发阵列连接固定。如图5所示，收发阵列之间相隔一定的距离di(i＝1,2,…,N-1)，各段距离di可不相等，用金属或塑料材料连接固定，用于发送和接收不同频段的测量信号。
每个收发阵列包括一个发射换能器301和三个(或三个以上)接收换能器302，如图6，每个收发阵列中的接收换能器302都和发射换能器301相连。所有收发阵列的发射换能器301和接收换能器302的信号发射面或接收面均在同一水平面上，即，不同收发阵列中所使用的换能器尺寸可能不等，但各个换能器的信号发射面或接收面均位于同一水平面。发射换能器301发送不同频率段的测量信号，并且各个频率段之间可以是连续的也可以是相隔一定频率的，接收换能器302则接收对应的收发阵列中的发射换能器301发送的信号。同个收发阵列中的收发换能器频率匹配，负责从数模转换器获取测量信号发射，以及接收信号传给模数转换器转换。
测量架303采用耐腐蚀的金属硬质材料，用于连接N个收发阵列和N个反射体，且测量架上下之间采用滑动结构，以调节收发阵列和反射体304的相对距离；其中反射体304为长方体结构，位于不同收发阵列正下方，保证相应的接收换能器能充分接收到反射信号，且所有反射体的上表面(即与相应的收发阵列相对的一面)在同一水平面上，反射体尺寸和相应的发射换能器301相当，采用金属等利于信号反射的材料。由于所有收发阵列的换能器的信号发射面或接收面均位于同一水平面，且所有反射体304的上表面也位于同一水平面，因此所有收发阵列与相应的位于该收发阵列正下方的反射体304之间距离相等。在本实施例中同个收发阵列中的不同接收换能器302和发射换能器301之间等距，即，同个收发阵列中的不同接收换能器302的信号接收面中心点到发射换能器301的信号发射面中心点距离相同，因此同个收发阵列中信号所经过的距离L相同。
输出模块用于显示处理模块估计分析的结果，或者将检测结果送给下一个处理系统，让该系统根据检测结果做出相应的响应。
本装置的工作步骤如图7所示，具体如下：
步骤1：根据阵列中每个换能器负责的频率范围，选取相应中心频率的测量信号，并确定其信号幅度，发送周期。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。
步骤2：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产生各段测量信号。
步骤4：将产生的测量信号传送到数模转换器，转换成模拟信号传送给收发模块，收发模块通过相应频段的环状收发阵列中的发射换能器发送测量信号。
步骤5：各个环状收发阵列中的接收换能器分别接收相应频段的反射信号，并转换成电信号传给模数转换器。
步骤6：数字信号处理器首先滤掉各个换能器负责频率范围外的信号，并将滤波后的信号叠加，计算接收信号的功率谱幅度、中心频率以及接收的周期或频率，根据实施例1方法中的具体说明，利用现有的方法或实验公式，估计悬浮物的浓度、线度以及速度。
步骤8：将悬浮物的监测结果(包括线度和对应浓度、悬浮水体的流速)传送给输出模块，输出模块将结果输出。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、发送测量信号；
测量装置相对于地面处于静止状态，在含有悬浮物的水中竖直向下发送测量信号s(t)：
<mrow> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>A</mi> <mfrac> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>W</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，A是信号的幅度，W是信号的单边带宽，f0是信号的中心频率，其功率谱图在正半轴上为幅度为0.5A、带宽为2W、中心频率为f0的矩形脉冲：
<mrow> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mi>A</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>W</mi> <mo>&lt;</mo> <mi>f</mi> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>W</mi> <mo>;</mo> </mrow>
每隔周期T发送一次，即发送频率为F＝1/T，发送时长为T0，T0<T；
s(t)频率范围应包含在所用发射换能器和接收换能器的频率范围中，且发射换能器正下方有一个反射体，以保证接收换能器能充分接收到反射信号；
S2、计算信号到达反射体时的频率；
选取地面作为参考系，以超声发射探头S的位置为坐标原点，垂直地面向下为z方向建立空间直角坐标系，则S的坐标为(0,0,0)，反射体G的坐标为(0,0,z)，相应的多个接收换能器均和超声发射探头S在同一平面上；
发射换能器S向z轴正方向，即方向发射测量信号，发送频率为F；z方向的单位向量可表示为设水流速度为其中vwx，vwy，vwz分别代表水流速度在坐标轴x、y、z三个方向上的分量，则水流速度在S→G方向的速度为：
对于水中的悬浮物，由于悬浮物体积和质量都较小，在水中的流速主要与水流速度有关，因此估计悬浮物的沉降速度或流动速度可转换为计算悬浮水体的流速；假设声波在水下的传播速度为c，由于信号发射点S静止，根据多普勒效应可得，信号到达反射体时的频率为：
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>G</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>c</mi> </mfrac> <mi>F</mi> <mo>;</mo> </mrow>
S3、计算信号到达接收探头时的频率；
L表示测量信号从发射换能器S出发传至反射体G最后传至接收换能器Ri的距离，为测量信号从反射体G传至接收换能器Ri的传播方向，αi、βi、γi分别为向量与坐标轴x、y、z的夹角，可得到向量的单位向量为则水流速度在G→Ri方向上的速度为：
声波由反射体G至接收点Ri的过程中，受到水流的作用，因此测量信号会受到多普勒效应；对于测量信号s(t)，在发送端每隔周期T发送一次，信号在水中传播的过程中由于多普勒效应产生多普勒频移，因此接收端Ri最终接收到的反射信号ri(t)的周期为接收频率由于接收端没有运动，因此信号到达第i个接收换能器Ri时的频率为：
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>GR</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mi>G</mi> </msub> </mrow>
整理，得到测量信号s(t)从发送到接收的过程中，接收频率与发送频率之间的关系为：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mi>c</mi> </mfrac> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mo>_</mo> <msub> <mi>GR</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>F</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>cos&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>cos&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>w</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>cos&amp;gamma;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>F</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mi>F</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，Δ为多普勒因子；
S4、需要M个接收换能器列出如上式所示的M个的等式，M≥3，即可求出上述三个未知数，由此求得悬浮水体的三维流速，即为悬浮物的速度；一个发射换能器和M个接收换能器组成一个收发阵列；
S5、估计悬浮物的浓度和线度分布；
利用信号功率谱对悬浮物浓度及线度分布做估计过程如下：
S5-1、采样；
由于测量信号s(t)在水中受到衰减，同时受多普勒效应的影响，因此对第i个接收换能器Ri接收到的信号ri(t)，i＝1,2,..,M，采样后得到的信号为：
<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>i</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mi>sin</mi> <mo>[</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>Wn</mi> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>]</mo> </mrow> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>n</mi> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mi>cos</mi> <mo>[</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>n</mi> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>]</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>w</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Bi、Δi分别为接收信号的幅度和多普勒因子，wi(n)为信号噪声，采样频率fs＝1/Ts(fs＞2f(f0+W))，Δi可由步骤S3求出；
S5-2、对接收信号ri(n)的自相关函数Ri(n)作2N点离散傅里叶变换，得：
<mrow> <msub> <mi>S</mi> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mi>n</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msup> <mo>,</mo> <mn>0</mn> <mo>&amp;le;</mo> <mi>k</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow>
S5-3、对该收发阵列的信号进行分析，发射换能器S的系统函数为H1(f)，接收换能器的系统函数均为H2(f)，同一个收发阵列中的接收换能器参数相同，且系统函数H1(f)和H2(f)可通过查看相应的换能器参数获得；
测量信号s(t)发射出去时先经过系统H1(f)，同时，接收到的信号ri(t)也先经过系统H2(f)，因此在水中传播前和在水中传播过后的测量信号功率谱分别为H1(f)S(f)和
S5-4、由步骤S5-3，测量信号在接收换能器Ri相应的fsk/N频点上的离散信号功率谱为测量信号在发射换能器S相应的fsk/N频点上的离散信号功率谱为由此得到衰减参数Qk：
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn> </munderover> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>S</mi> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>H</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>k</mi> <mo>/</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow> <mrow> <mfrac> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>k</mi> <mo>/</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow>
表示测量信号经过水体前后的衰减参数；
S5-5、对于M个接收换能器接收的信号，对信号相应区间离散功率谱进行叠加，根据衰减参数Qk(k＝0,1,…,N-1)和传输距离L反演出悬浮物的浓度，而测量信号的每个频点fsk/N则对应了四分之一波长线度的悬浮物的浓度。
2.根据权利要求1所述的悬浮物动态监测方法，其特征在于，使用多个发射换能器；每个发射换能器发送不同频率范围的测量信号，且用于接收该测量信号的换能器也应为相应频段的接收换能器；如需要测量的宽频率范围为[f1,fm]，则可将该宽频段分为N段[f1,f2]、[f3,f4]、……、[fm-1,fm]，使用N个发射换能器，第一换能器发送频率范围为[f1,f2]的测量信号s1(t)，第二换能器发送频率范围为[f3,f4]的测量信号s2(t)，依此类推；一个发射换能器对应一个收发阵列，对不同收发阵列重复步骤S1-S5，可估计出水体中悬浮物的浓度、线度分布以及速度。
3.根据权利要求2所述的悬浮物动态监测方法，其特征在于，不同的频段连续或者相隔一定的距离。
4.一种基于权利要求1所述的方法的监测装置，其特征在于，包括操作模块、处理模块、收发模块和输出模块和电源，电源为所有模块供电；操作模块与处理模块连接，处理模块分别与收发模块以及输出模块相连；
收发模块包括测量架、N个反射体和N个收发阵列；测量架用于将反射体以及不同的收发阵列连接固定；收发阵列之间相隔一定的距离；每个收发阵列包括一个发射换能器和M个接收换能器，M≥3，所有换能器的信号发射面或接收面均位于同一水平面；每个收发阵列中的接收换能器都和发射换能器相连，同个收发阵列中接收换能器到发射换能器的距离相同，同个收发阵列中的收发换能器频率匹配；反射体位于不同收发阵列正下方，且N个反射体的反射面在同一水平面上；
操作者通过操作模块输入对应的参数，处理模块根据参数信息产生各段测量信号，传送给收发模块中相应频段的收发阵列的发射换能器发射并控制发射换能器的发送周期；对于该收发阵列中发射换能器发射的信号，其对应的接收换能器阵列接收反射信号，传送给处理模块；处理模块计算出悬浮物的浓度和线度分布，同时，根据多普勒效应计算悬浮水体的三维流速；最后将测量出来的悬浮物的浓度和线度分布值、水体流速值传送给输出模块输出显示。
5.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，收发阵列的数目N根据应用场景和测量的范围而定。
6.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，固定反射体的测量架横架可上下调节高度。
7.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，处理模块包括数字处理器、数模转换器及模数转换器。
8.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，反射体采用利于信号反射的材料。
9.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，测量架采用耐腐蚀的硬质材料。
10.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，收发阵列之间用金属或塑料材料相连。
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