CN110596713A - 一种声学多普勒测流系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种声学多普勒测流系统，涉及信号处理领域，特别是海洋、河流及河渠观测技术领域。本发明效率系统包括水声换能器、DAC模块、时钟管理模块、数字信号处理模块、ADC模块、低噪声放大器、显示模块以及电源模块。该系统通过灵活地控制发射波形的频率、脉宽、带宽等参数，使之具有灵活多变的工作模式，以适应各种工作环境；同时采用FPGA进行回波信号处理，采用数字下变频技术取代希尔伯特变换，减小了系统实现的复杂度，再者，本发明也提升了系统的反应速度。

Description

一种声学多普勒测流系统

技术领域

本发明涉及信号处理领域，特别是海洋、河流及河渠观测技术领域，主要用于水流速度及水深的测量，具体来说，是一种进行发射波形控制和回波信号处理的声学多普勒测流系统。

背景技术

目前，声学多普勒测流技术有着传统测流方法无法比拟的优越性，它能直接测量水流断面流速，且不干扰流场，不存在机械惯性，同时具有反应速度快、测量精度高等优点。

但现有的声学多普勒测流产品工作模式单一，使用范围受限，一台设备只能工作在固定的发射波形下，如固定的发射频率、固定的带宽与脉宽等，这意味着该设备只能在满足一定条件的环境下使用。同时，现在的声学多普勒测流系统对于流速的估算流程一般如下：对水声换能器接收的回波进行采样后通过频谱搬移及低通滤波器，完成基带解调，然后对解调后的基带信号进行希尔伯特变换以获取复信号，再采用复相关技术计算回波中的多普勒频移，最后根据多普勒频移计算出相应的水流速度。尽管该流程对水流的速度估算效果较为理想，但该处理流程的运算量较大，实现较为复杂，且希尔伯特变换是一个非因果系统，是无法精确的物理实现。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种声学多普勒测流系统，控制发射波形，解决工作模式单一和适用范围受限的问题，此外，采用数字下变频技术取代希尔伯特变换完成基带解调，同时完成实信号到复信号的转换，以减小系统实现的复杂度。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种声学多普勒测流系统，包括水声换能器、DAC模块(数字模拟转换器)、时钟管理模块、数字信号处理模块、ADC模块(模拟数字转换器)、低噪声放大器、显示控制模块以及电源模块；

其中，数字信号处理模块、DAC模块、水声换能器依次相连，通过数字信号处理模块产生发射波形，经过DAC模块进行数模转换后驱动水声换能器，将电能转换为声能，完成声波的发射；

水声换能器、低噪声放大器、ADC模块、数字信号处理模块、显示模块依次相连，对水声换能器的回波信号进行放大，经ADC采样后送进数字信号处理模块完成多普勒频移估计，再把估计的结果通过串口发送给显示模块，根据多普勒频移计算出相应的水流速度并显示；

水声换能器用于完成电能和声能的相互转换，DAC模块用于发射波形的数模转换并驱动水声换能器，ADC模块用于回波采样，低噪声放大器用于放大水声换能器接收的微弱回波信号，使其能够达到模拟数字转换器可采样的范围，数字信号处理模块用于完成发射波形的产生和控制，并对回波信号进行处理得到多普勒频移，时钟管理模块用于提供数字模拟转换器、模拟数字转换器和数字信号处理模块所需的工作时钟，显示模块用于显示测量结果，电源模块用于提供上述各部分所需的电源；

进一步地，所述数字信号处理模块包含：发射波形控制与回波信号处理两部分；

所述发射波形控制包括：DDS(直接数字式频率合成器)，脉冲调制模块，DDS根据实际情况产生某一频率的正弦信号；发射频率的选取为几百KHz到几MHz，它与超声波的性质有关。若频率高，则超声波在水中传播的衰减大，传播距离短，但其分辨率高，换能器的体积也可以小一些；若频率低，则超声波在水中的传播衰减小，传播距离远，但其分辨率低，换能器的体积也相应地更大。不同的水流环境，需要采用不同频率的发射信号；海洋环境下，选择300KHz或150KHz的发射频率，以保证足够的穿透性；在河流环境下，选择600KHz的发射频率；在沟渠水流环境下，选择900KHz或1.2MHz的发射频率；经过脉冲调制模块将该正弦信号调制成矩形脉冲信号，然后输出给DAC；

所述回波信号处理部分包括：数字下变频模块和频率估计模块，所述数字下变频模块包括：第一混频器、第一低通滤波器、第一抽取模块、第二混频器、第二低通滤波器、第二抽取模块、直接数字式频率合成器，所述经过ADC采样得到信号分为两路，其中第一路信号依次经过第一混频器、第一低通滤波器、第一抽取模块，第二路信号依次经过第二混频器、第二低通滤波器、第二抽取模块；所述DDS产生一个余弦信号输出给第一混频器，DDS产生一个负正弦信号输出给第二混频器；所述第一抽取模块的输出和第二抽取模块的输出相加合成为一个信号，即分别作为复信号的实部与虚部，再将合成后的信号输出给频率估计模块；频率估计模块将计算结果输出给本地显示模块。

进一步的，信号发射过程为：

经DDS产生一个频率为f₀的数字正弦信号f(t)：

f(t)＝cos(2πf₀t) (1)

经FPGA编程控制参数进行幅度调制，得到矩形脉冲信号：

其中T为矩形脉冲的周期，τ为矩形脉冲的脉宽，均可通过编程控制，n＝0,1,2,3...，所以发射信号如下：

s(t)＝A(t)cos(2πf₀t) (3)

经DAC转换为模拟信号再由水声换能器发射出去；

接收及信号处理过程为：

假设水声换能器的回波经放大采样后的信号如下：

其中为放大系数，f_d为多普勒频移，经过数字下变频后的到两路正交基带信号：

将两路正交基带信号合成复信号：

Z(t)＝I(t)+jQ(t) (7)

最后对该信号进行频谱估计即可得到多普勒频率f_d，把频率估计结果经串口上报给显示模块，经下式转换后即可得到对应的径向水流速度，

其中c为声波在水中的传播速度。

本发明的有益效果是：

(1)编程的方式灵活控制发射波形的相关参数，以适应不同的系统工作环境，解决现有声学多普勒测流设备工作模式单一和适用范围受限的问题。

(2)采用数字下变频技术取代希尔伯特变换，以此来完成基带解调并实现实信号到复信号的转换，解决了现有声学测流系统中希尔伯特变换实现较为复杂的问题。

(3)本发明进行并行信号处理，大大提升了系统的反应速度。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明中数字信号处理模块功能框图；

图3为本发明中数字下变频技术原理框图。

具体实施方式

如图1所示，一种声学多普勒测流系统，包括水声换能器、DAC(数字模拟转换器)模块、时钟管理模块、数字信号处理模块、ADC(模拟数字转换器)模块、低噪声放大器、显示模块以及电源模块。

数字信号处理模块、DAC模块、水声换能器依次相连，通过数字信号处理模块产生发射波形，经数模转换后驱动水声换能器，将电能转换为声能，完成声波的发射。

水声换能器、低噪声放大器、ADC模块、数字信号处理模块、显示模块依次相连，对水声换能器的回波信号进行放大，经ADC采样后送进数字信号处理模块完成多普勒频移估计，再把估计的结果发送给显示模块，根据多普勒频移计算出相应的水流速度并显示。

水声换能器用于完成电能和声能的相互转换。

DAC模块用于发射波形的数模转换并驱动水声换能器。

ADC模块用于回波采样。

低噪声放大器用于放大水声换能器接收的微弱回波信号，使其能够达到模拟数字转换器可采样的范围。

数字信号处理模块用于完成发射波形的产生和控制，并对回波信号进行处理得到多普勒频移。

时钟管理模块用于提供数字模拟转换器、模拟数字转换器和数字信号处理模块所需的工作时钟。

显示模块用于显示测量结果。

电源模块用于提供上述各部分所需的电源。

如图2所示，所述数字信号处理模块包含发射波形控制与回波信号处理两大主要功能。

发射波形控制主要通过DDS(直接数字式频率合成器)来实现，可以通过FPGA编程来灵活控制波形的频率、脉宽、带宽及编码方式等关键参数，经过数模转后输出给水声换能器发射出去。

在回波信号处理过程中，将来自水声换能器的微弱信号经过低噪声放大器，通过ADC采样后进行数字下变频，完成基带解调并获取两路正交信号，再将两路信号合成复信号进行频率估计，并将估计结果上报。

进一步地，所述数字信号处理模块包含：发射波形控制与回波信号处理两部分；

作为本发明的优化方案之一，发射波形控制主要通过DDS(直接数字式频率合成器)来实现，编程来灵活控制波形的频率、脉宽、带宽及编码方式等关键参数，进而解决工作模式单一和适用范围受限的问题。

作为本发明的优化方案之二，在回波信号处理过程中，采用数字下变频技术取代希尔伯特变换这一物理不可实现系统，以此来完成基带解调并实现时信号到复信号的转换，以便后续的多普勒频移估计。

进一步地，所述声学多普勒测流系统。

作为本发明的优化方案，基于数字信号处理平台具有并行性和并发性的优点，在运算速度上是传统CPU的几十倍，本发发明进行并行信号处理可以大大提升系统的反应速度。

下面将结合具体例子对本发明做进一步阐述。

(1)信号发射过程

经DDS产生一个频率为f₀的数字正弦信号f(t)：

f(t)＝cos(2πf₀t) (9)

经FPGA编程控制参数进行幅度调制，得到矩形脉冲信号：

其中T为矩形脉冲的周期，τ为矩形脉冲的脉宽，均可通过编程控制，n＝0,1,2,3...，所以发射信号如下：

s(t)＝A(t)cos(2πf₀t) (11)

经DAC转换为模拟信号再由水声换能器发射出去；

(2)接收及信号处理过程

假设水声换能器的回波经放大采样后的信号如下：

其中为放大系数，f_d为多普勒频移，经过数字下变频后的到两路正交基带信号：

将两路正交基带信号合成复信号：

Z(t)＝I(t)+jQ(t) (15)

最后对该信号进行频谱估计即可得到多普勒频率f_d，把频率估计结果经串口上报给显示模块，经下式转换后即可得到对应的径向水流速度，

其中c为声波在水中的传播速度，本实施例采用1500m/s。

(3)计算延迟

根据系统设置的参数以及超声波换能器的工作频率范围(600±20KHz)，发射频率为600KHz，在进行频率估计时，系统时钟为1MHz，数据点数为16384，在1MHz的系统时钟下，存储16384个数据所需的时间为16384μs，在进行频率估计时所需的计算时间为49292μs，因此计算第一个流速的延时为65676μs。由于FPGA的优越性，此处采用流水线操作，除去计算第一个流速的时延，此后每间隔16384μs即可输出一个流速结果。

Claims (3)

1.一种声学多普勒测流系统，包括水声换能器、DAC模块、时钟管理模块、数字信号处理模块、ADC模块、低噪声放大器、显示控制模块以及电源模块；

其中，数字信号处理模块、DAC模块、水声换能器依次相连，通过数字信号处理模块产生发射波形，经过DAC模块进行数模转换后驱动水声换能器，将电能转换为声能，完成声波的发射；

水声换能器、低噪声放大器、ADC模块、数字信号处理模块、显示模块依次相连，对水声换能器的回波信号进行放大，经ADC采样后送进数字信号处理模块完成多普勒频移估计，再把估计的结果通过串口发送给显示模块，根据多普勒频移计算出相应的水流速度并显示；

水声换能器用于完成电能和声能的相互转换，DAC模块用于发射波形的数模转换并驱动水声换能器，ADC模块用于回波采样，低噪声放大器用于放大水声换能器接收的微弱回波信号，使其能够达到模拟数字转换器可采样的范围，数字信号处理模块用于完成发射波形的产生和控制，并对回波信号进行处理得到多普勒频移，时钟管理模块用于提供数字模拟转换器、模拟数字转换器和数字信号处理模块所需的工作时钟，显示模块用于显示测量结果，电源模块用于提供上述各部分所需的电源。

2.如权利要求1所述的一种声学多普勒测流系统，其特征在于所述数字信号处理模块包含：发射波形控制与回波信号处理两部分；

所述发射波形控制包括：DDS，脉冲调制模块，DDS根据实际情况产生某一频率的正弦信号；不同的水流环境，需要采用不同频率的发射信号；海洋环境下，选择300KHz或150KHz的发射频率，以保证足够的穿透性；在河流环境下，选择600KHz的发射频率；在沟渠水流环境下，选择900KHz或1.2MHz的发射频率；经过脉冲调制模块将该正弦信号调制成矩形脉冲信号，然后输出给DAC；

所述回波信号处理部分包括：数字下变频模块和频率估计模块，所述数字下变频模块包括：第一混频器、第一低通滤波器、第一抽取模块、第二混频器、第二低通滤波器、第二抽取模块、直接数字式频率合成器，所述经过ADC采样得到信号分为两路，其中第一路信号依次经过第一混频器、第一低通滤波器、第一抽取模块，第二路信号依次经过第二混频器、第二低通滤波器、第二抽取模块；所述DDS产生一个余弦信号输出给第一混频器，DDS产生一个负正弦信号输出给第二混频器；所述第一抽取模块的输出和第二抽取模块的输出相加合成为一个信号，即分别作为复信号的实部与虚部，再将合成后的信号输出给频率估计模块；频率估计模块将计算结果输出给本地显示模块。

3.如权利要求2所述的一种声学多普勒测流系统，其特征在于信号发射过程为：

经DDS产生一个频率为f₀的数字正弦信号f(t)：

f(t)＝cos(2πf₀t) (1)

经FPGA编程控制参数进行幅度调制，得到矩形脉冲信号：

其中T为矩形脉冲的周期，τ为矩形脉冲的脉宽，均可通过编程控制，n＝0,1,2,3...，所以发射信号如下：

s(t)＝A(t)cos(2πf₀t) (3)

经DAC转换为模拟信号再由水声换能器发射出去；

接收及信号处理过程为：

假设水声换能器的回波经放大采样后的信号如下：

其中为放大系数，f_d为多普勒频移，经过数字下变频后的到两路正交基带信号：

将两路正交基带信号合成复信号：

Z(t)＝I(t)+jQ(t) (7)

最后对该信号进行频谱估计即可得到多普勒频率f_d，把频率估计结果经串口上报给显示模块，经下式转换后即可得到对应的径向水流速度，

其中c为声波在水中的传播速度。