CN112461306B - 非侵入式流量测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请适用于电子信息设备技术领域，提供了一种非侵入式流量测量方法及装置，其中该方法包括：基于毫米波传感器采集液面反射毫米波信号；按照待检测的流体的液面方向，将所采集的液面反射毫米波信号拆分为相应的垂直液面信号分量和平行液面信号分量；根据液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量和预设夹角，确定待检测的流体的液位深度信息；根据液面反射毫米波信号的平行液面信号分量和预设夹角，确定待检测的流体的液面流速信息；根据所确定的液位深度信息和液面流速信息，确定待检测的流体的目标流量信息。由此，可以实现在各种流体场景下直接非侵入式地测量流体的流量。
Description
技术领域
本申请属于电子信息设备技术领域，尤其涉及一种非侵入式流量测量方法及装置。
背景技术
非侵入式流量计，也可称为非插入式流量计，在结构上是指不在管道内部加入节流件或运动件或计量器件不与测量液体接触，而通过其他物理原理实现管道或渠道流量的测量。非侵入式流量测量方法在测量过程中具有很多优势，如减少流体介质种类、浓度、黏度等的限制，减少压损等。
近年来，针对非侵入式流量的测量的研究一直处于比较热门的阶段，不管是高校还是流量计生产厂家都对这类流量计做了大量的研究。然而，目前的非侵入式流量计的使用范围和应用场景受限，不具有通用性，例如均无法直接非侵入式测量满管及非满管液体的流量。
针对上述问题，目前业界暂未提出较佳的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种非侵入式流量测量方法及装置，以至少解决现有技术中非侵入式流量计的测量范围受限的问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种非侵入式流量测量方法，包括：基于毫米波传感器采集液面反射毫米波信号，所述毫米波传感器相对于待检测的流体的液面非侵入式设置，并且所述毫米波传感器发射毫米波信号的方向与所述待检测的流体的液面之间呈预设夹角；按照所述待检测的流体的液面方向，将所采集的液面反射毫米波信号拆分为相应的垂直液面信号分量和平行液面信号分量；根据所述液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液位深度信息；根据所述液面反射毫米波信号的平行液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液面流速信息；根据所确定的液位深度信息和液面流速信息，确定所述待检测的流体的目标流量信息。
本申请实施例第二方面提供了一种非侵入式流量测量装置，包括：液面反射信号采集单元，被配置为基于毫米波传感器采集液面反射毫米波信号，所述毫米波传感器发射毫米波信号的方向相对于待检测的流体的液面非侵入式设置，并且所述毫米波传感器与所述待检测的流体的液面之间呈预设夹角；信号分量拆分单元，被配置为按照所述待检测的流体的液面方向，将所采集的液面反射毫米波信号拆分为相应的垂直液面信号分量和平行液面信号分量；液位深度确定单元，被配置为根据所述液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液位深度信息；液面流速确定单元，被配置为根据所述液面反射毫米波信号的平行液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液面流速信息；流体流量确定单元，被配置为根据所确定的液位深度信息和液面流速信息，确定所述待检测的流体的目标流量信息。
本申请实施例的第三方面提供了一种移动终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。
本申请实施例的第五方面提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在移动终端上运行时，使得移动终端实现如上述方法的步骤。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
通过本申请实施例，将毫米波传感器相对于流体液面倾斜地非侵入式设置，使得毫米波传感器所采集到的液面反射毫米波信号可以反映垂直和平行于液面的方向上信息，并可以结合倾斜角度来相应地确定液位深度信息和液面流速信息，进而确定目标流量信息，由此可以在各种应用场景下直接非侵入式地测量流体的流量，例如直接非侵入式测量满管及非满管液体的流量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，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示出了根据本申请实施例的非侵入式流量测量方法的一示例的流程图；
图2示出了根据本申请实施例的确定液位深度信息的一示例的流程图；
图3示出了根据本申请实施例的确定流体液面的流速信息的一示例的流程图；
图4示出了根据本申请实施例的毫米波传感器的信号处理电路的一示例的结构原理示意图；
图5示出了根据本申请实施例的基于毫米波的非侵入式流量测量方法的一示例的流程图；
图6示出了根据本申请实施例的非侵入式流量测量架构的一示例的布置示意图；
图7示出了毫米波传感器在高频滤波后不同通道的输出信号与垂直距离之间的关系示意图；
图8示出了根据本申请实施例的管道流体测量系统的一示例的架构示意图；
图9示出了根据本申请实施例的非侵入式流量测量装置的一示例的结构框图；
图10是本申请实施例的移动终端的一示例的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
具体实现中，本申请实施例中描述的移动终端包括但不限于诸如具有触摸敏感表面(例如，触摸屏显示器和/或触摸板)的移动电话、膝上型计算机或平板计算机之类的其它便携式设备。还应当理解的是，在某些实施例中，上述设备并非便携式通信设备，而是具有触摸敏感表面(例如，触摸屏显示器和/或触摸板)的台式计算机。
在接下来的讨论中，描述了包括显示器和触摸敏感表面的移动终端。然而，应当理解的是，移动终端可以包括诸如物理键盘、鼠标和/或控制杆的一个或多个其它物理用户接口设备。
可以在移动终端上执行的各种应用程序可以使用诸如触摸敏感表面的至少一个公共物理用户接口设备。可以在应用程序之间和/或相应应用程序内调整和/或改变触摸敏感表面的一个或多个功能以及终端上显示的相应信息。这样，终端的公共物理架构(例如，触摸敏感表面)可以支持具有对用户而言直观且透明的用户界面的各种应用程序。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需说明的是，为了实现非侵入式地测量流体的流量信息，可以通过各种流量原理来进行测量，例如，利用流体运动产生的力与流体质量关系、流体流动过程中超声波信号时间差或频率差的方法、电磁感应定理法等。目前，具有代表性的非侵入式流量计有弯管流量计、电磁流量计、超声波流量计和明渠非接触式流量计等。
弯管流量计的原理是，主要利用流体在弯管流动过程中所产生的一种与质量流量成正比的科氏力，或者由于离心力的原因造成流体介质对弯管的内侧和外侧作用的压力不同来计算流体流量。但是，需要定制弯管，并且弯管流量计也无法实现测量非满管液体。
电磁流量计(EMF)的原理是法拉第电磁感应定律，利用被测量流体介质中的导电性来进行流速的测量，但对于非满管液体的测量，无法直接测量到流量，因此不能测量非满管液体的流量。
超声波流量计的原理是，利用时差法、频差法和多普勒法等测量原理，计算液体的流速。但是，对于非满管液体的测量，无法直接测量到流量。此外，超声波流量计一般是安装在管道的外壁，但信号发射器在安装时对管道的表面要求较高，要直接与管壁接触中间不能隔有涂层类物品，并在发射器和管壁的接触部位涂一种排除两者接触部位残存的空气的耦合剂，让声波发射器与管壁之间紧密接触，不留空隙，否则会影响流量计测量的精度。
明渠非接触式流量计的原理是，利用多普勒原理计算液面流速，再结合其他液位传感器或方法测量液位，最后根据流速值和测量的液位值，进行计算得到流量值。示例性地，雷达调频连续波(FMCW)可用于计算液位高度和流速，但其有最低高度的限制且分辨率低，即其有安装距离的盲区，一般距离液面的安装高度大于1m和距离分辨率大于3cm，这类方法适合于河流及开放式沟渠流量计算，且不适用于管道流量计量。
因此，上述各种流量计都无法直接应用于非侵入式满管及非满管的流量测量过程中。
图1示出了根据本申请实施例的非侵入式流量测量方法的一示例的流程图。
如图1所示，在步骤110中，基于毫米波传感器采集液面反射毫米波信号。这里，毫米波传感器相对于待检测的流体的液面非侵入式设置，并且毫米波传感器发射毫米波信号的方向与待检测的流体的液面之间呈预设夹角。术语“毫米波”可以表示用于米波是指30～300GHz频域(即，波长为1～10mm)的电磁波。
应理解的是，可以暂不限制毫米波传感器发射方向与流体液面之间的夹角，例如毫米波传感器可以被设置成与流体液面之间呈任意的倾斜角度。此外，待检测的流体可以是各种类型的流体，例如管道或明渠中的流体等，且都属于本申请实施例的实施范围内。
在步骤120中，按照待检测的流体的液面方向，将所采集的液面反射毫米波信号划分为相应的垂直液面信号分量和平行液面信号分量。应理解的是，一般情况下，毫米波传感器的发射毫米波信号的方向和接收液面反射毫米波信号的方向可以是相同的，亦即，相对于流体的液面呈相同的倾斜角度(例如θ)。
在步骤130中，根据液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量和预设夹角，确定待检测的流体的液位深度信息。
需说明的是，在毫米波信号斜射到流体的液面，并从流体的液面反射回来之后，流体的液位的深浅不同会直接影响或改变在垂直方向上的反射信号的参数信息，例如流体的液位越浅，毫米波的传输距离越长，导致信号衰减、相位差以及传输时间等维度信息都会相应地发生变化。由此，利用这些对应关系，可以通过分析反射信号中的垂直液面信号分量来识别流体的液位深度信息。
在步骤140中，根据液面反射毫米波信号的平行液面信号分量和预设夹角，确定待检测的流体的液面流速信息。
需说明的是，在毫米波信号斜射到流体的液面，并从流体的液面反射回来之后，流体的液面流速的不同也会直接影响或改变在与液面平行的方向上的反射信号的参数信息，例如流体的流速越快，液面的波纹运动越剧烈，导致多普勒频移越大，以及信号衰减、相位差等信息都会相应地发生变化。由此，利用这些对应关系或规律，可以通过分析反射信号中的平行液面信号分量来识别流体的液面流速信息。
在步骤150中，根据所确定的液位深度信息和液面流速信息，确定待检测的流体的目标流量信息。示例性地，当流体是在具有设定尺寸的管道中的流体时，可以通过液位深度信息来确定流体截面面积，结合液面流速系信息，便可以得到相应的流量信息，例如，可以基于流速面积法的原理来确定流量信息。
需说明的是，于本申请实施例所提出的基于毫米波的非侵入式流量测量的方法及装置具有非常广泛的应用场景，其既适用于任意大小的管道的非满管及满管流量、工业生活上间歇性排水流量的计量，也适用于渠道、河流和地下排水井窨、防汛预警等场合进行非接触式流量测量。
在本申请实施例的一些示例中，待检测的流体为位于管道中的流体，该毫米波传感器被安装在管道的外壁。因此，通过毫米波测量方式，可以非接触、非侵入式地透过上方空气和非金属物质检测管道内部的液体流量，且无安装距离的限制，不受温度、湿度、气流、尘埃等影响，适合非满管和复杂环境，且无运动部件，易于维护，仪表寿命长等。
图2示出了根据本申请实施例的确定液位深度信息的一示例的流程图。
如图2所示，在步骤210中，确定毫米波传感器的毫米波发射信号所对应的垂直液面信号分量与液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量之间的第一信号强度衰减信息和第一相位差信息。示例性地，可以将液面反射毫米波信号与毫米波发射信号在垂直方向上的分量信号的信号强度进行作差，从而得到相应的第一信号强度衰减信息。此外，还可以将液面反射毫米波信号与毫米波发射信号在垂直方向上的分量信号的相位进行作差，从而得到相应的第一相位差信息。
在步骤220中，根据毫米波传感器的本振频率、第一信号强度衰减信息、第一相位差信息和预设夹角，计算毫米波传感器与待检测的流体的液面之间的相对距离。示例性地，可以通过预设的公式算法来计算相应的相对距离。
在步骤230中，根据毫米波传感器的安装位置信息和相对距离，确定待检测的流体的液位深度信息。示例性地，毫米波传感器被安装在距离管道底部0.5米的位置，而相对距离可能是0.3米，则可以得到相应的液位深度信息为0.2米。
通过本申请实施例，分析毫米波信号在垂直液面方向上的信号干涉及衰减情况，并以此可以确定相应的待检测的流体的液位深度信息。在下文中，将结合其他实施方式来示例性地描述针对液位深度信息的具体的计算过程。
图3示出了根据本申请实施例的确定流体液面的流速信息的一示例的流程图。
如图3所示，在步骤310中，确定毫米波传感器的毫米波发射信号所对应的平行液面信号分量与液面反射毫米波信号的平行液面信号分量之间的第二信号强度衰减信息和第二相位差信息。
在步骤320中，根据毫米波传感器的本振频率、第二信号强度衰减信息和第二相位差信息，计算在平行液面方向上的多普勒频移信息。
在步骤330中，根据多普勒频移信息，确定流体液面的流速信息。
通过本申请实施例，分析毫米波信号在平行液面方向上的信号干涉及衰减情况，并以此可以确定相应的待检测的流体的液面的流速信息。在下文中，将结合其他实施方式来示例性地描述针对流速信息的具体的计算过程。
为了保障计算结果的可靠性，可以通过多个毫米波信号综合进行计算。具体地，毫米波传感器用于产生多个毫米波发射信号并相应地接收多个液面反射毫米波信号，并且各个液面发射毫米波信号的相位之间存在差异。
在本申请实施例的一个示例中，液面反射毫米波信号为对应预设时间段的液面反射毫米波信号，由此可以综合预设时间段的多个毫米波信号来计算流量，保障流量计算结果的精确度。在本申请实施例的另一示例中，毫米波传感器为多通道传感器，或者毫米波传感器包括多个单通道传感器模块，由此可以同时获得基于多个毫米波信号的检测结果，提高所实时确定的流体的流量的精确度。
具体地，针对各个液面反射毫米波信号，分别计算液面反射毫米波信号所对应的待检测的流体的初始流量信息。然后，可以基于各个初始流量信息，拟合待检测的流体的目标流量信息，通过融合多个毫米波信号的检测结果，可以保障所确定的目标流量信息的高精确度。
图4示出了根据本申请实施例的毫米波传感器的信号处理电路的一示例的结构原理示意图。
如图4所示，毫米波传感器(或收发器)的信号处理电路核心电路包含有高频振荡器450、接收微阵列天线410、发射微阵列天线420、肖特基势垒二极管混频器电路430和滤波放大电路440。具体地，高频振荡器450可以产生高频电信号。另外，接收微阵列天线410、发射微阵列天线420可以实现电信号与波信号直接转换。另外，通过肖特基势垒二极管混频器电路430，可以将接收到的信号与本振产生的信号进行混频处理。通过滤波放大电路440，可以去除高频噪声信号和放大有用信号。
在具体的电路工作过程中，可以由微波振荡器振荡发出一个发射信号，其中一路经发射天线发射出去，另一路又分流成两路分别进入I、Q所在的通道的混频器中，其中Q通道的信号在混频之前还需先经90°的移相。另外，接收天线接收到的回波信号，先经低噪声放大处理后，再分别经混频器与实时分流的两路信号进行混频。混频后得到的信号再经中频滤波放大处理，最终得到I、Q两路中频信号。这里，I、Q两路中频输出信号中均携带有探测目标的距离和速度信息。由此，可以实现多通路的毫米波信号的传输和采集过程。
图5示出了根据本申请实施例的基于毫米波的非侵入式流量测量方法的一示例的流程图。
在步骤510中，将毫米波传感器探头(含信号发射天线电路、信号接收天线电路)在管道顶部或明渠上方向与水流方向成一定夹角安装，则信号分为垂直液面信号分量和水平液面信号分量。
图6示出了根据本申请实施例的非侵入式流量测量架构的一示例的布置示意图。
如图6所示，毫米波传感器610与液面成一定夹角θ安装，并向管道620中的液面630发射连续等幅信号波(CW)612。
结合上面图4中的示例，假设微波振荡器产生的本振信号的频率为f0，初始相位分别为Φ0，时间为t，则本振信号从发射天线端发射出去的一路信号VT可以表示为:
VT(t)＝Acos(2πf0t+Φ0)公式(1)
然而，本振信号另一路进入I、Q所在的通道的信号，VT_I和VT_Q可表示为：
VT_I(t)＝Acos(2πf0t+Φ0)公式(2)
VT_Q(t)＝Acos(2πf0t+Φ0+90°)公式(3)
其中，A可以表示发射信号的幅度，θ可以表示微波传感器相对于液面的安装角度，即信号发射入射波与液面之间的夹角。
在步骤520中，液面垂直方向的信号分量从管道顶部或明渠上方垂直到达液面并反射回探头接收天线，根据微波反射回的信号强度计算毫米波探头与液面或者毫米波反射块之间的距离，从而根据管道直径或渠道大小计算管道内液位高度或渠道水深。
示例性地，经液面垂直返回的垂直分量的液面反射毫米波信号(或回波信号)VR_Y(t)可以表示为：
VR_Y(t)＝ηYAcosθ*cos(2πf0t+Φ0-ΦU)公式(4)
其中，ηY为分量信号在传播路径中信号幅度的衰减系数，与发射天线到反射面的垂直距离相关，ΦY为回波信号与发射信号垂直分量上的相位差，θ为信号发射入射波与水面夹角。
在步骤530中，在液面水平方向的信号分量到达流动液面时，由于多普勒效应，发射出去的水平方向的信号分量和接收到毫米波信号会产生多普勒频移，多普勒频移正比于液面流速，即通过计算多普勒频移可计算出流体液面的流速。
示例性地，随着流体的液面表面的波纹运动方向传播后再经波纹反射回毫米波接收机的水平分量信号的回波信号VR_X(t)可以表示为：
VR_X(t)＝ηXAsinθ*cos(2π(f0+fd)*t+Φ0-ΦX)公式(5)
其中，ηX表示水平分量信号在水平方向的传播路径中信号幅度的衰减系数，ΦX表示水平分量上回波信号与发射信号的相位差，fd表示多普勒频率。
相应地，毫米波信号经过流动的液面反射回的回波信号VR(t)可表示为：
VR(t)＝VR_Y(t)+VR_X(t)公式(6)
在步骤540中，根据管道或渠道的大小形状和计算得到液位高度，从而确定水流的横截面积，再结合根据多普勒频移计算到的流体液面的流速，通过流速面积法进行计算，可以得到当前过流面位置的瞬时流量。
示例性地，可以对回波信号与I、Q通道VT_I和VT_Q信号进行混频、滤波、放大、去噪等处理后，毫米波传感器在I、Q通道的输出信号分别为：
其中，由移相电路控制；k1和k2与管道半径、天线增益、收发天线间距，信号液面反射衰减等常数有关；fd为I、Q两通道输出信号的多普勒频率，即两通道的多普勒频率相等，均可以用fd表示。
对I或Q通道输出信号进行高频滤波、小波变换或傅里叶变换频域滤波，以去除相应的高频信号。因此，可以得到过滤后的信号V′out_I和V′out_Q与液位高度dy关系，其中V′out_I和V′out_Q信号相位相差角度：
其中，k1，k2与管道半径有关，天线增益，天线间距，信号液面反射衰减等常数有关。
图7示出了高频滤波后I或Q通道输出信号与垂直距离之间的关系示意图。因此，高频信号滤波后I或Q通道输出信号V′out_I或V′out_Q与液面垂直方向距离dY呈如图7所示的周期性震荡衰减关系。
如图7所示，V′out_I和V′out_Q信号(两条曲线)示意图相位相差角度(如90度)。需说明的是，虽然V′out_I或V′out_Q信号随着液位高度呈周期性震荡衰减关系，但对于某一信号强度，可能会存在对应有多个反射面距离的情况。因此，单一的相位通道可能无法精确地根据信号强度确定反射面的高度，因此可以采用多相位通道信号输出(例如，3个或3个以上的不同相位通道)，确定唯一的液位高度值。
此外，在计算流体的液面流速时，可以对输出信号Vout_I高频信号V″out_I进行如下方式的分析和计算：
由以上公式可知，在频域上信号与多普勒频率有关，而多普勒频率与液面流速vx有关。因此可以通过傅里叶变换或小波变换计算V″out_I信号的频域值fd,从而计算得到液面流速vx。
同理,也可以分析并计算Vout_Q的高频信号V″out_Q求解频域值fd，其中V″out_I和V″out_Q信号相位相差/>角度，且具有相同的多普勒频率。
本发明在实际应用中，通过以上计算已知水深h和水面流速ut，再根据水深上的对数流速分布模型：
u+＝Aln(h)+B公式(12)
其中，A、B为与管壁或床面粗糙情况及流动形态有关的系数，h为水高计算点至河床或管底距离。
在确定了对数流速分布公式中的系数之后，可以将对数流速分布公式应用到液位深度信息的计算过程中，从而计算液面的平均流速。
根据计算得到液位高度和已知的管道或渠道的大小形状，即可得到流体的横截面积A，根据计算的水面流速，推导和计算流体的平均流速v，即可计算出瞬时废水流量Q：
Q＝v×A公式(13)
在本申请实施例的一些示例中，还可以对测量数据进行存储，例如测量数据可以存储在测量模块内置的存储模块记录，也可利用远距离低功耗无线通信模块将测量结果传输至远程终端，例如可以采用LoRa、NB-IoT等低功耗的无线通信模块以延长电池的使用寿命。
图8示出了根据本申请实施例的管道流体测量系统的一示例的架构示意图。
如图8所示，各个毫米波传感器可以被安装在管道外壁，无需破管、断管，安装维护简易，另外各个毫米波传感器(即，收发器)沿管道方向呈一定角度安装。如果收发器单通道输出，则至少3个不同角度安装，如果收发器多通道输出(至少3个不同相位通道输出)，则仅需1个角度安装。此外，如果收发器振荡器可产出多个频点信号(至少3不同频率信号)，则仅需1个角度安装。如果为多个收发器工作，为了避免相互干扰，三个微波收发器由微处理器控制，按固定顺序分不同时段发射，同一时间只能同时运行一个微波收发器。另外，如果为单一收发器工作，则无需对微波收发器的工作时间做精确控制。
另外，当采用多通道微波传感器时，可以实时采集毫米波传感器多通道信号或多探头信号，并实时通过傅里叶变换或小波变换提取高频信号以用于计算水面流速，余下的低频信号用于计算液位高度。
具体地，所提取的低频信号通过信号处理(如中值滤波，滑动均值滤波等)实时计算信号幅值，再根据多个信号值(由多通道或多探头输出)确定唯一的液位高度。另外，所提取的高频信号的频域值即为多普勒频率，根据多普勒频率与液面流速的关系，可以计算出相应的液面流速，再根据水深的流速分布，推导出相应的平均流速。结合计算出的液位高度和水流的平均流速，即可实时计算出管道液体的瞬时流速和流量。
此外，还可以存储测量数据，并利用远距离低功耗的无线通信模块将结果传输至远程终端。
需说明的是，上述图4至图8中所描述的毫米波传感器的结构仅用作示例，并还可以采用其他结构类型的传感器。此外，毫米波传感器(收发器)采用的工作方式为发射连续等幅信号波(CW)信号，收发器的参考电路不局限于同相正交(I\Q)两通道输出，即两通道输出信号的相位相差角度，可以通过可控移相器实现多通道信号输出。另外，收发器的参考电路不局限于振荡器电路产生单一频率信号，可以通过可控振荡器电路产生不同的单点频率信号。此外，收发器可以采用一定的角度安装(例如，θ可以取30～60°的角度范围)，不局限于收发器采用某一固定角度安装，并且还可以采用多个不同角度的收发器同时安装和工作。
通过本申请实施例，可以实现非接触、非侵入式的测量方式，并具有安装方便和维护简单的优点。并且，还可以适用于任意大小的管道的非满管及满管流量排水流量的计量，也适用于渠道、河流和地下排水井窨、防汛预警等场合进行非接触式流量测量。此外，测量方式不受液体中杂质成分的影响，适合废水中包含固体以及泡沫等多相介质的测量过程。
图9示出了根据本申请实施例的非侵入式流量测量装置的一示例的结构框图。
如图9所示，非侵入式流量测量装置900包括液面反射信号采集单元910、信号分量拆分单元920、液位深度确定单元930、液面流速确定单元940和流体流量确定单元950。
液面反射信号采集单元910被配置为基于毫米波传感器采集液面反射毫米波信号，所述毫米波传感器相对于待检测的流体的液面非侵入式设置，并且所述毫米波传感器发射毫米波信号的方向与所述待检测的流体的液面之间呈预设夹角。
信号分量拆分单元920被配置为按照所述待检测的流体的液面方向，将所采集的液面反射毫米波信号拆分为相应的垂直液面信号分量和平行液面信号分量。
液位深度确定单元930被配置为根据所述液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液位深度信息。
液面流速确定单元940被配置为根据所述液面反射毫米波信号的平行液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液面流速信息。
流体流量确定单元950被配置为根据所确定的液位深度信息和液面流速信息，确定所述待检测的流体的目标流量信息。
需要说明的是，上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本申请方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。
图10是本申请实施例的移动终端的一示例的示意图。如图10所示，该实施例的移动终端1000包括：处理器1010、存储器1020以及存储在所述存储器1020中并可在所述处理器1010上运行的计算机程序1030。所述处理器1010执行所述计算机程序1030时实现上述非侵入式流量测量方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤110至130。或者，所述处理器1010执行所述计算机程序1030时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图9所示单元910至950的功能。
示例性的，所述计算机程序1030可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器1020中，并由所述处理器1010执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序1030在所述移动终端1000中的执行过程。例如，所述计算机程序1030可以被分割成液面反射信号采集模块、信号分量拆分模块、液位深度确定模块、液面流速确定模块和流体流量确定模块，各模块具体功能如下：
液面反射信号采集模块被配置为基于毫米波传感器采集液面反射毫米波信号，所述毫米波传感器相对于待检测的流体的液面非侵入式设置，并且所述毫米波传感器发射毫米波信号的方向与所述待检测的流体的液面之间呈预设夹角。
信号分量拆分模块被配置为按照所述待检测的流体的液面方向，将所采集的液面反射毫米波信号拆分为相应的垂直液面信号分量和平行液面信号分量。
液位深度确定模块被配置为根据所述液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液位深度信息。
液面流速确定模块被配置为根据所述液面反射毫米波信号的平行液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液面流速信息。
流体流量确定模块被配置为根据所确定的液位深度信息和液面流速信息，确定所述待检测的流体的目标流量信息。
所述移动终端1000可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述移动终端可包括，但不仅限于，处理器1010、存储器1020。本领域技术人员可以理解，图10仅是移动终端1000的示例，并不构成对移动终端1000的限定，可以包括比图示更多或少的部件，或组合某些部件，或不同的部件，例如所述移动终端还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器1010可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器1020可以是所述移动终端1000的内部存储单元，例如移动终端1000的硬盘或内存。所述存储器1020也可以是所述移动终端1000的外部存储设备，例如所述移动终端1000上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器1020还可以既包括所述移动终端1000的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器1020用于存储所述计算机程序以及所述移动终端所需的其他程序和数据。所述存储器1020还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/移动终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/移动终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种非侵入式流量测量方法，其特征在于，包括：
基于毫米波传感器采集液面反射毫米波信号，所述毫米波传感器相对于待检测的流体的液面非侵入式设置，并且所述毫米波传感器发射毫米波信号的方向与所述待检测的流体的液面之间呈预设夹角；
按照所述待检测的流体的液面方向，将所采集的液面反射毫米波信号拆分为相应的垂直液面信号分量和平行液面信号分量；
将所述毫米波传感器的毫米波发射信号所对应的垂直液面信号分量与所述液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量的信号强度进行作差，得到第一信号强度衰减信息；将所述毫米波发射信号所对应的垂直液面信号分量与所述液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量的相位进行作差，得到第一相位差信息；
根据所述毫米波传感器的本振频率、所述第一信号强度衰减信息、所述第一相位差信息和所述预设夹角，计算毫米波传感器与所述待检测的流体的液面之间的相对距离；
根据所述毫米波传感器的安装位置信息和所述相对距离，确定所述待检测的流体的液位深度信息；
根据所述液面反射毫米波信号的平行液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液面流速信息；
根据所确定的液位深度信息和液面流速信息，确定所述待检测的流体的目标流量信息。
2.如权利要求1所述的非侵入式流量测量方法，其特征在于，所述根据所述液面反射毫米波信号的平行液面信号分量，确定所述待检测的流体的流速信息，包括：
确定所述毫米波传感器的毫米波发射信号所对应的平行液面信号分量与所述液面反射毫米波信号的平行液面信号分量之间的第二信号强度衰减信息和第二相位差信息；
根据所述毫米波传感器的本振频率、所述第二信号强度衰减信息和所述第二相位差信息，计算在平行液面方向上的多普勒频移信息；
根据所述多普勒频移信息，确定流体液面的流速信息。
3.如权利要求1所述的非侵入式流量测量方法，其特征在于，所述毫米波传感器用于产生多个毫米波发射信号并相应地接收多个液面反射毫米波信号，并且各个所述液面发射毫米波信号的相位之间存在差异，其中所述方法还包括：
针对各个所述液面反射毫米波信号，分别计算所述液面反射毫米波信号所对应的所述待检测的流体的初始流量信息；
基于各个所述初始流量信息，拟合所述待检测的流体的目标流量信息。
4.如权利要求3所述的非侵入式流量测量方法，其特征在于，所述毫米波传感器为多通道传感器，或者所述毫米波传感器包括多个单通道传感器模块。
5.如权利要求1所述的非侵入式流量测量方法，其特征在于，所述液面反射毫米波信号为对应预设时间段的液面反射毫米波信号。
6.如权利要求1所述的非侵入式流量测量方法，其特征在于，所述待检测的流体为位于管道中的流体，所述毫米波传感器被安装在所述管道的外壁。
7.一种非侵入式流量测量装置，其特征在于，包括：
液面反射信号采集单元，被配置为基于毫米波传感器采集液面反射毫米波信号，所述毫米波传感器相对于待检测的流体的液面非侵入式设置，并且所述毫米波传感器发射毫米波信号的方向与所述待检测的流体的液面之间呈预设夹角；
信号分量拆分单元，被配置为按照所述待检测的流体的液面方向，将所采集的液面反射毫米波信号拆分为相应的垂直液面信号分量和平行液面信号分量；
液位深度确定单元，被配置为将所述毫米波传感器的毫米波发射信号所对应的垂直液面信号分量与所述液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量的信号强度进行作差，得到第一信号强度衰减信息；将所述毫米波发射信号所对应的垂直液面信号分量与所述液面反射毫米波信号的垂直液面信号分量的相位进行作差，得到第一相位差信息；根据所述毫米波传感器的本振频率、所述第一信号强度衰减信息、所述第一相位差信息和所述预设夹角，计算毫米波传感器与所述待检测的流体的液面之间的相对距离；根据所述毫米波传感器的安装位置信息和所述相对距离，确定所述待检测的流体的液位深度信息；
液面流速确定单元，被配置为根据所述液面反射毫米波信号的平行液面信号分量和所述预设夹角，确定所述待检测的流体的液面流速信息；
流体流量确定单元，被配置为根据所确定的液位深度信息和液面流速信息，确定所述待检测的流体的目标流量信息。
8.一种移动终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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