CN112782705B - 一种超声声层析流场成像方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声声层析流场成像方法及其装置，所述方法包含以下步骤：S1，获取待检测水域的边界，建立二维直角坐标系，将所述边界按等间距分隔出N个扫描点；S2，通过固定设置第一超声分机于其中一个扫描点，在其他扫描点通过第二超声分机与所述第一超声分机互收发超声信号；S3，固定设置第一超声分机于下一个扫描点，在其他扫描点通过第二超声分机与所述第一超声分机互收发超声信号；S4，循环步骤S3，直至第一超声分机在所有扫描点收发；S5，获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合；S6，获取所述流速关系包含流场对应X轴和Y轴的传播速度分量；S7，根据所述流速关系重建流场空间分布。

Description

一种超声声层析流场成像方法及其装置

技术领域

本发明涉及流场监测领域，具体指有一种超声声层析流场成像方法及其装置。

背景技术

河口-近岸海域污染日益严重，追根溯源，绝大部分污染物质来自流域陆地通过海陆界面输送入海。河口-近岸水动力复杂，流场存在显著的空间分布特性，研发河口-近岸海域的流场在线监测可对近海－流域防灾减灾的重大需求，极其重要。

目前对浅海、河口水域的流速主要采用机械式流量计、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)等方法进行定点或走航式测量。这些方法只能监测小范围流速，不能同时反映出大范围水域的流场分布。申请号CN200810062069.1的现有申请公开了一种声学测流方法及装置，采用低频声波，中心频率为5kHz，带宽为3-7kHz，由于频率较低必然导致在小尺度范围内流速测量的时间分辨率不足。申请号CN201210073119.2的现有申请公开了一种声学二维流场测量系统及方法，同样只适用于近海海洋大尺度水域，对于数公里以下的小尺度河口-近岸区域，存在声传播时间测量误差大且空间分辨率低等不足，难以获得精细的流场分布，有必要发展小尺度水域的高频声层析的高精度成像技术。

针对上述的现有技术存在的问题设计一种超声声层析流场成像方法及其装置是本发明研究的目的。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种超声声层析流场成像方法及其装置，能够有效解决上述现有技术存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种超声声层析流场成像方法，所述方法包含以下步骤：

S1，获取待检测水域的边界，建立二维直角坐标系，将所述边界按等间距分隔出N个扫描点；

S2，通过固定设置第一超声分机于其中一个扫描点，在其他扫描点通过第二超声分机与所述第一超声分机互收发超声信号，所述互收发超声信号具体为：在相同时刻所述第一超声分机开始发射超声信号、所述第二超声分机开始接收超声信号，间隔第一时间后，在相同时刻所述第二超声分机开始发射超声信号、所述第一超声分机开始接收超声信号；

S3，固定设置第一超声分机于下一个扫描点，在其他扫描点通过第二超声分机与所述第一超声分机互收发超声信号；

S4，循环步骤S3，直至第一超声分机在所有扫描点收发；

S5，获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合；

S6，获取每一对扫描点之间连线的距离，以及每一对扫描点之间连线与X轴的夹角，根据每一对扫描点之间连线与所述声传播时间差集合的建立流场的流速关系，所述流速关系包含流场对应X轴和Y轴的传播速度分量；

S7，根据所述流速关系重建流场空间分布。

所述步骤S5具体为：获取所述第一超声分机在每一个扫描点时超声信号从第一超声分机到达其他扫描点的第二超声分机的传输时间变化量集合δT_i ⁺、超声信号在其他扫描点从第二超声分机到达每一个扫描点的第一超声分机的传输时间变化量集合δT_i ^-，获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合

所述步骤S6具体为：定义声线l_ij为每一个扫描点到其他任意扫描点的距离，i和j分别为1-N的任意整数，定义θ_i为声线l_ij与X轴的夹角，根据声线l_ij与所述声传播时间差集合建立流场的流速关系，所述流速关系为

其中u_j为流场在X轴的传播速度分量，v_j为流场在Y轴的传播速度分量。

进一步地，根据声线l_ij与所述声传播时间差集合建立流场的流速关系具体为：

S6.1，计算传输时间总和；

S6.1.1，定义超声信号在无流场干预的水体中的参考声速为c₀，定义超声信号在所述待检测水域的声速变化为δc，定义T⁺为所述第一超声分机在每一个扫描点时超声信号从第一超声分机到达其他扫描点的第二超声分机的传输时间总和，则

S6.1.2，定义T^-为超声信号在其他扫描点从第二超声分机到达每一个扫描点的第一超声分机的传输时间总和，则

其中v为超声信号传播速度向量组成的1xN矩阵，n为超声信号传播方向向量组成的Nx1矩阵。

S6.2，定义超声信号在无流场干预的水体中的参考传播时间为T₀，T₀＝l_ij/c₀，则

步骤S7具体为：

S7.1，根据N点声传播时间差

建立矩阵y，根据步骤S6中的

建立矩阵E，定义观察误差为e；

S7.2，对E进行奇异值分解，得到奇异值分解结果U、A、V，其中UAV^T＝E；

S7.3，根据u＝V[A^TA+α²I]^-1A^TU^Ty重建流场u，其中α²为阻尼。

进一步地，所述步骤S1中，所述第一时间3-8s。

进一步地，所述第一超声分机和所述第二超声分机的工作频率为50-70kHz、带宽为40kHz～80kHz。

进一步提供一种超声声层析流场成像方法系统，用于实现上述的方法，包含：

第一超声分机和第二超声分机，用于在待检测水域的边界互收发超声信号；

声传播时间差集合获取模块，用于获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合；

流速关系建立模块，用于获取每一对扫描点之间连线的距离，以及每一对扫描点之间连线与X轴的夹角，根据每一对扫描点之间连线与所述声传播时间差集合的建立流场的流速关系；

流场空间分布重建模块，用于根据所述流速关系重建流场空间分布。

因此，本发明提供以下的效果和/或优点：

本发明通过将待检测水域的边界划分为多个扫描点，并且通过第一超声分机和第二超声分机在各个点互收发，通过计算各个扫描点的声传播时间差，利用声传播时间差与距离的关系建立流场的流速关系，从而重建流场空间分布，即可获得流场在检测区域内的各方向速度分量。本发明具有重建的空间分辨率高、重建的流场精度高等特点，随着扫描点N的扩大，精度和分辨率也随之提高，30个扫描点重建的流场成像与实际流场成像关联性高，30个扫描点重建的流场成像与实际流场成像已可达到0.91以上的关联性。

本发明通过超声声层析成像技术能够克服现有中、低频声学技术在小尺度区域的低分辨率流速测量问题，突破小尺度河口-近岸的高分辨率流场重建技术瓶颈。

本发明克服了现有ADCP测量技术探测距离短、且受环境影响严重、不适用于洪峰强流量的实时监测等缺点，能够对河口-近岸的流场空间分布进行高频声层析成像。

应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。

附图说明

图1为实施例一提供的方法的流程示意图。

图2为待检测水域、扫描点、声线的示意图。

图3为第一超声分机与第二超声分机的示意图。

图4为九龙江某一水体流场空间示意图。

图5为扫描点N＝30时声层析重建x方向的流速分布的成像结果。

图6为扫描点N＝30时声层析重建y方向的流速分布的成像结果。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，现将实施例结合附图对本发明的结构作进一步详细描述：

一种超声声层析流场成像方法，参考图1，所述方法包含以下步骤：

S1，获取待检测水域的边界，建立二维直角坐标系，将所述边界按等间距分隔出N个扫描点；

S2，通过固定设置第一超声分机于其中一个扫描点，在其他扫描点通过第二超声分机与所述第一超声分机互收发超声信号，所述互收发超声信号具体为：在相同时刻所述第一超声分机开始发射超声信号、所述第二超声分机开始接收超声信号，间隔第一时间后，在相同时刻所述第二超声分机开始发射超声信号、所述第一超声分机开始接收超声信号；

S3，固定设置第一超声分机于下一个扫描点，在其他扫描点通过第二超声分机与所述第一超声分机互收发超声信号；

S4，循环步骤S3，直至第一超声分机在所有扫描点收发；

参考图2-3，本实施例采用方形的待检测水域，并且以待检测水域一个交界点(即左下角)为坐标原点建立二维直角坐标系，以待检测水域的边界按等间距分隔出N个扫描点(图1边界画圈处)。接着，本实施例采用第一超声分机固定于坐标原点，第二超声分机设置于载体上，例如船，第二超声分机跟随载体移动，在每一个扫描点均停靠一次，在每一个扫描点停靠的时间内，第一超声分机与第二超声分机互收发超声信号。然后第一超声分机移动至下一个扫描点，第二超声分机再次跟随载体移动，在每一个扫描点均停靠一次，在每一个扫描点停靠的时间内第一超声分机与第二超声分机互收发超声信号。循环直至第一超声分机在所有扫描点停靠。

可选地，本实施例采用GPS作为时间同步信号，第一超声分机和第二超声分机同步接受GPS信号，并在相同的时刻同步开始接收或发送超声信号。

S5，获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合，具体为：获取所述第一超声分机在每一个扫描点时超声信号从第一超声分机到达其他扫描点的第二超声分机的传输时间变化量集合δT_i ⁺、超声信号在其他扫描点从第二超声分机到达每一个扫描点的第一超声分机的传输时间变化量集合δT_i ^-，获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合

S6，获取每一对扫描点之间连线的距离，以及每一对扫描点之间连线与X轴的夹角，根据每一对扫描点之间连线与所述声传播时间差集合的建立流场的流速关系，所述流速关系包含流场对应X轴和Y轴的传播速度分量，具体为：定义声线l_ij为每一个扫描点到其他任意扫描点的距离，i和j分别为1-N的任意整数，定义θ_i为声线l_ij与X轴的夹角，根据声线l_ij与所述声传播时间差集合建立流场的流速关系，所述流速关系为

其中uj为流场在X轴的传播速度分量，vj为流场在Y轴的传播速度分量；

并且，S6可进一步具体化为：参考图2，

S6.1，计算传输时间总和；

S6.1.1，定义超声信号在无流场干预的水体中的参考声速为c₀，定义超声信号在所述待检测水域的声速变化为δc，定义T⁺为所述第一超声分机在每一个扫描点时超声信号从第一超声分机到达其他扫描点的第二超声分机的传输时间总和，则

S6.1.2，定义T^-为超声信号在其他扫描点从第二超声分机到达每一个扫描点的第一超声分机的传输时间总和，则

其中v为超声信号传播速度向量组成的1xN矩阵，n为超声信号传播方向向量组成的Nx1矩阵。

S6.2，定义超声信号在无流场干预的水体中的参考传播时间为T₀，T₀＝l_ij/c₀，则

S7，根据所述流速关系重建流场空间分布，具体为：

S7.1，根据N点声传播时间差

建立矩阵y，根据步骤S6中的

建立矩阵E，定义观察误差为e；

S7.2，对E进行奇异值分解，得到奇异值分解结果U、A、V，其中UAV^T＝E；

S7.3，根据u＝V[A^TA+α²I]^-1A^TU^Ty重建流场u，其中α²为阻尼。

进一步地，所述步骤S1中，所述第一时间3-8s，本实施例中采用5s，在其他实施例中也可以是3s或者8s。

进一步地，所述第一超声分机和所述第二超声分机的工作频率为50-70kHz、带宽为40kHz～80kHz。

通过实施例一所述的方法对福建省九龙江某一水体流场空间分布进行高频声层析流场成像。参考图4，区域为118.02461357E—24.44159606N、118.04267628E—24.43022078N，从中选取了1.2km X 1.2km的流场分布数据。第一超声分机由CPU、GPS定位模块、数据采集卡(采样率400kS/s，采样精度16bits)、功率放大器、40-80kHz带通滤波器、高频发射换能器(中心频率60kHz，带宽40kHz～80kHz)和接收水听器(带宽为1kHz-180kHz)组成。第二超声分机由CPU、GPS定位模块、数据采集卡(采样率400kS/s)、功率放大器、40-80kHz带通滤波器、高频发射换能器(中心频率60kHz，带宽40kHz～80kHz)和接收水听器(带宽为1kHz-180kHz)组成。扫描分机搭载在测量船，围绕固定分机进行走航，在观测区域实现N点扫描。

第一超声分机与第二超声分机采用水声互收发方式。第二超声分机在每个扫描点，根据GPS高精度授时(时间精度20ns)，其发射与第一超声分机的接收同时进行。5秒以后第一超声分机的发射与第二超声分机的接收同时进行，时间由GPS控制。采用GPS确定水声信号传播时间T⁺。经过5s后，由系统设置两个站位交换互收发状态，同样可以得到另一个信号传输时间T^-。在互易工作方式下，L为第一超声分机与第二超声分机间的距离，则T₀＝L/c₀为根据参考声速计算的声传播时间。δT⁺和δT^-分别为由流速引起的固定-扫描和扫描-固定的声传输时间变化。

流场成像算法对固定与第二超声分机的流场分布进行算法重建，利用高精度GPS对固定与第二超声分机进行定位和时间同步。第二超声分机围绕第一超声分机在观测区域的四周进行多点扫描，其声线网格如图3所示。设观测点声线数为m，每条路径用l_i表示，1≤i≤m。为了对流场进行高分辨率反演，先将研究区域离散化，分为N个以下标j表示的矩形子区域。流场u在x、y方向的分量为u和v，声互易传输时，水域流场分布对声传播时间的影响由公式I得到：

公式I：

所述的声传播时间采用GPS确定水声信号传播时间

经过5s后，由系统设置两个站位交换互收发状态，同样可以得到另一个信号传输时间

在互易工作方式下，L为固定与第二超声分机间的距离，则T₀＝L/c₀为根据参考声速计算的声传播时间。

和

分别为由流速引起的固定-扫描和扫描-固定的声传输时间变化。因此，流速关系满足

公式II：

通过公式II可以推导得到公式I。

流场u可用以下矩阵形式重建：

公式III：u＝V[A^TA+α²I]^-1A^TU^Ty；

其中y为实测的N点声传播时间差

矩阵，E为公示II的

系数矩阵，e是观测误差。矩阵U、A和V是对系数矩阵E奇异值分解后的结果，满足UAV^T＝E，I是单位向量，α²是阻尼。在观测区域确定的情况下，站点N越大，声层析流场成像的空间分辨率越高，从而实现高精度流场成像。

进一步地，采用LabVIEW编写的用户程序，对河口-近岸水流的x和y方向分量的空间分布进行分析，对数据进行分析、存储、传输和程序可视化。根据GPS的时间报文和脉冲信号同时触发声发射和接收行同步进行，提升流场声层析反演准确性。

图5为扫描点N＝30时，声层析重建x方向的流速分布。

图6为扫描点N＝30时，声层析重建y方向的流速分布。

从计算结果来看，随着声站数增加，反演的结果逐渐改善。当N＝30时，反演结果与原流场的相关系数达到0.91以上；当N＝45时，反演结果与原流场的相关系数达到0.99以上，以高的精度重建了近岸流场，高空间分辨率地反映了沿岸排污口附近海域流速的变化。这说明采用互易传输模型的小尺度高频声层析能够重建高空间分辨率、高精度的流场。

实施例二

进一步提供一种超声声层析流场成像方法系统，用于实现实施例一所述的方法，其特征在于：包含：

第一超声分机和第二超声分机，用于在待检测水域的边界互收发超声信号；

声传播时间差集合获取模块，用于获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合；

流速关系建立模块，用于获取每一对扫描点之间连线的距离，以及每一对扫描点之间连线与X轴的夹角，根据每一对扫描点之间连线与所述声传播时间差集合的建立流场的流速关系；

流场空间分布重建模块，用于根据所述流速关系重建流场空间分布。

本实施例的工作方法与实施例一类似，在此不再阐述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种超声声层析流场成像方法，其特征在于：所述方法包含以下步骤：

S1，获取待检测水域的边界，建立二维直角坐标系，将所述边界按等间距分隔出N个扫描点；

S2，通过固定设置第一超声分机于其中一个扫描点，在其他扫描点通过第二超声分机与所述第一超声分机互收发超声信号，所述互收发超声信号具体为：在相同时刻所述第一超声分机开始发射超声信号、所述第二超声分机开始接收超声信号，间隔第一时间后，在相同时刻所述第二超声分机开始发射超声信号、所述第一超声分机开始接收超声信号；

S3，固定设置第一超声分机于下一个扫描点，在其他扫描点通过第二超声分机与所述第一超声分机互收发超声信号；

S4，循环步骤S3，直至第一超声分机在所有扫描点收发；

S5，获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合；

S6，获取每一对扫描点之间连线的距离，以及每一对扫描点之间连线与X轴的夹角，根据每一对扫描点之间连线与所述声传播时间差集合的建立流场的流速关系，所述流速关系包含流场对应X轴和Y轴的传播速度分量；

S7，根据所述流速关系重建流场空间分布；

步骤S7具体为：

S7.1，根据N点声传播时间差

建立矩阵y，根据步骤S6中的

建立矩阵E，定义观察误差为e；

S7.2，对E进行奇异值分解，得到奇异值分解结果U、A、V，其中UAV^T＝E；

S7.3，根据u＝V[A^TA+α²I]^-1A^TU^Ty重建流场u，其中α²为阻尼。

2.根据权利要求1所述的一种超声声层析流场成像方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：获取所述第一超声分机在每一个扫描点时超声信号从第一超声分机到达其他扫描点的第二超声分机的传输时间变化量集合

超声信号在其他扫描点从第二超声分机到达每一个扫描点的第一超声分机的传输时间变化量集合

获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合

3.根据权利要求2所述的一种超声声层析流场成像方法，其特征在于：所述步骤S6具体为：定义声线l_ij为每一个扫描点到其他任意扫描点的距离，i和j分别为1-N的任意整数，定义θ_i为声线l_ij与X轴的夹角，根据声线l_ij与所述声传播时间差集合建立流场的流速关系，所述流速关系为

其中u_j为流场在X轴的传播速度分量，v_j为流场在Y轴的传播速度分量。

4.根据权利要求3所述的一种超声声层析流场成像方法，其特征在于：根据声线l_ij与所述声传播时间差集合建立流场的流速关系具体为：

S6.1，计算传输时间总和；

S6.1.1，定义超声信号在无流场干预的水体中的参考声速为c₀，定义超声信号在所述待检测水域的声速变化为δc，定义T⁺为所述第一超声分机在每一个扫描点时超声信号从第一超声分机到达其他扫描点的第二超声分机的传输时间总和，则

S6.1.2，定义T^-为超声信号在其他扫描点从第二超声分机到达每一个扫描点的第一超声分机的传输时间总和，则

其中v为超声信号传播速度向量组成的1xN矩阵，n为超声信号传播方向向量组成的Nx1矩阵。

5.根据权利要求4所述的一种超声声层析流场成像方法，其特征在于：进一步包含S6.2，定义超声信号在无流场干预的水体中的参考传播时间为T₀，T₀＝l_ij/c₀，则

6.根据权利要求1所述的一种超声声层析流场成像方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述第一时间3-8s。

7.根据权利要求1所述的一种超声声层析流场成像方法，其特征在于：所述第一超声分机和所述第二超声分机的工作频率为50-70kHz、带宽为40kHz～80kHz。

8.一种超声声层析流场成像方法系统，用于实现如权利要求1所述的方法，其特征在于：包含：

第一超声分机和第二超声分机，用于在待检测水域的边界互收发超声信号；

声传播时间差集合获取模块，用于获取每一对扫描点声互收发的声传播时间差集合；

流速关系建立模块，用于获取每一对扫描点之间连线的距离，以及每一对扫描点之间连线与X轴的夹角，根据每一对扫描点之间连线与所述声传播时间差集合的建立流场的流速关系；

流场空间分布重建模块，用于根据所述流速关系重建流场空间分布。

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