CN113381833A

CN113381833A - 一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法及装置

Info

Publication number: CN113381833A
Application number: CN202110633432.6A
Authority: CN
Inventors: 周宾; 刘奇
Original assignee: Nanjing Ditaida Environmental Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Ditaida Environmental Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2021-09-10

Abstract

本发明提供一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法及装置，涉及声学测量技术，包括根据多个扬声器同时发射多个声波信号，并根据多个传声器同时接收所述声波信号；其中，所述扬声器和所述传声器基于一个信道发射和接收所述声波信号；根据带通滤波器对不同波段所述声波信号分离，同时获取对应多个物理信道的声波信号，利用声波频域上的并行测量来代替时间上的串行测量，使多路声波信号共同使用一条物理信道，大幅提高了信道的利用率，缩短了系统的测量周期。

Description

一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法及装置

技术领域

本发明涉及声学测量技术，尤其涉及一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法及装置。

背景技术

锅炉是燃煤电厂三大主机设备之一，炉膛温度和速度分布的实时、准确测量对保障锅炉安全、提高燃烧效率和节能环保都至关重要。受烟气堵塞，磨损，测量范围局限性、响应速度慢和干扰流场等原因的影响，接触式速度、温度测量方法(皮托管、热电偶、电阻温度计)受到严重制约。一些非侵入性的方法如超声波或者激光多普勒方法、可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、粒子图像测速技术(PIV)和静电感应等有意义的技术研究方法被应用于测速领域以满足实际需求。但是，对于锅炉或其他大截面待测区域的测量，它们受到了光学错位失准，粒子播种困难，现场应用成本高、难度大的制约。

在声波层析成像系统的图像重建中，需设置多个声波收发器，从而产生多条声波测量路径。假设在一个测量周期内顺序开启和停止n个扬声器及m个传声器。假如一个扬声器发射声波信号和m个传声器采集声波信号的时间为τ，Δτ为两次测量之间的固定间隔时间。则一个测量周期t内声波信号被发射和采集的时间为：

由上式可知，在声学测量过程中，测量周期与扬声器和声波路径的数量成正比，系统测量周期主要受到扬声器数目的制约。扬声器数目越多，声波测量路径越多，则测量周期越长，测量的时间分辨率越低，牺牲了系统的时间分辨率，可能无法捕捉传感区域的动态温度和速度变化。为了实时捕捉温度、速度的动态变化，需要降低飞渡时间(TOF)的测量时间和系统计算周期。

在保证相同声学路径的同时提高测量时间分辨率方面的研究几乎是空白的，这一点，在提高声波法层析成像系统的重建时间分辨率问题中，尤为重要。

发明内容

本发明实施例提供一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法及装置，利用声波频域上的并行测量来代替时间上的串行测量，使多路声波信号共同使用一条物理信道，大幅提高了信道的利用率，缩短了系统的测量周期。

本发明实施例的第一方面，提供一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法，包括：

根据多个扬声器同时发射多个声波信号，并根据多个传声器同时接收所述声波信号；

其中，所述扬声器和所述传声器基于一个信道发射和接收所述声波信号；

根据带通滤波器对不同波段所述声波信号分离，同时获取对应多个物理信道的声波信号。

可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述根据多个扬声器同时发射多个声波信号，并根据多个传声器同时接收所述声波信号，包括：

根据多n个所述扬声器同时发送n个不同频段的所述声波信号，并根据m个所述传声器对所有频段的n个所述声波信号同时接收。

可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，若在一个测量周期内，同时启停n个所述扬声器及m个所述传声器，则在一个测量周期t内得到n×m条声波路径上的所有信号。

可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述根据带通滤波器对不同波段所述声波信号分离，同时获取对应多个物理信道的声波信号，包括：

在获取n个所述扬声器发出的声波信号后，根据所需频段和所述带通滤波器对所述声波信号进行滤波分离，同时获取对应多个物理信道的所述声波信号。

可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，所述测量周期为：

t＝τ

其中，t为测量周期。

可选地，在第一方面的一种可能实现方式中，还包括：

对滤波分离后的所述声波信号与预设参考信号进行互相关计算，获取多条声波路径上的飞渡时间。

本发明实施例的第二方面，提供一种高时间分辨率的声波频分复用测量装置，包括：

信号模块，用于根据多个扬声器同时发射多个声波信号，并根据多个传声器同时接收所述声波信号；

频分模块，用于根据带通滤波器对不同波段所述声波信号分离，同时获取对应多个物理信道的声波信号。

本发明实施例的第三方面，提供一种高时间分辨率的声波频分复用测量设备，包括：存储器、处理器以及计算机程序，所述计算机程序存储在所述存储器中，所述处理器运行所述计算机程序执行本发明第一方面及第一方面各种可能涉及的所述方法。

本发明实施例的第四方面，提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现本发明第一方面及第一方面各种可能涉及的所述方法。

本发明提供的一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法及装置，利用声波频域上的并行测量来代替时间上的串行测量，使多路声波信号共同使用一条物理信道，大幅提高了信道的利用率，缩短了系统的测量周期。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种采集过程的示意图；

图3为本发明实施例提供的传声器接收的6个信道的波形图；

图4为本发明实施例提供的传声器接收信号的功率谱密度图；

图5是为本发明实施例提供的通过Butterworth带通滤波器分割后的声波信号的功率谱密度图；

图6为本发明实施例提供的6条声波路径上飞渡时间的测量结果示意图；

图7是本发明实施例提供的一种高时间分辨率的声波频分复用测量装置的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种高时间分辨率的声波频分复用测量设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。

应当理解，在本发明中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A相关联，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。A与B的匹配，是A与B的相似度大于或等于预设的阈值。

取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

参见图1，是本发明实施例提供的一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法的流程示意图，图1所示方法的执行主体可以是软件和/或硬件装置。本申请的执行主体可以包括但不限于以下中的至少一个：用户设备、网络设备等。其中，用户设备可以包括但不限于计算机、智能手机、个人数字助理(Personal Digital Assistant，简称：PDA)及上述提及的电子设备等。网络设备可以包括但不限于单个网络服务器、多个网络服务器组成的服务器组或基于云计算的由大量计算机或网络服务器构成的云，其中，云计算是分布式计算的一种，由一群松散耦合的计算机组成的一个超级虚拟计算机。本实施例对此不做限制。包括步骤S101至步骤S102，具体如下：

S101，根据多个扬声器同时发射多个声波信号，并根据多个传声器同时接收所述声波信号，其中，所述扬声器和所述传声器基于一个信道发射和接收所述声波信号。

在一些实施例中，可以根据多n个所述扬声器同时发送n个不同频段的所述声波信号，并根据m个所述传声器对所有频段的n个所述声波信号同时接收。

示例性的，采用如图2所示测量装置阐述声波频分复用方法对飞渡时间的采集过程，S0-S5分别代表6个扬声器，固定在测量界面的边界上，Mic为传声器，用来接收各扬声器发射的声波信号。

其中，设置6个扬声器和1个传声器同时发射和采集声波信号，6个扬声器的声波信号分别为幅值相同，频率不同的扫频信号。为了阐述其过程，本实验设置S0-S5信号的扫频范围分别为：2kHz-3.5kHz,4kHz-5.5kHz,6kHz-7.5kHz,8kHz-9.5kHz,10kHz-11.5kHz,12kHz-13.5kHz。

图3为传声器接收的6个信道的波形图，由于6个声源信号均为不同频段的扫频信号，传播时的振动和衰减均不同，在时域图中呈现为幅值不一的差分信号，由图中矩形框的局部放大图可以看出，各信道声波信号在经过一定时延后被传声器接收，但由于此信号为多信道的复合信号，在时域图中的延迟并不能对时延量进行准确估计，所以，需要对此复合信号进行分离后，采用互相关算法实现对时延量的准确估计。

S102，根据带通滤波器对不同波段所述声波信号分离，同时获取对应多个物理信道的声波信号。

具体地，在获取n个所述扬声器发出的声波信号后，根据所需频段和所述带通滤波器对所述声波信号进行滤波分离，同时获取对应多个物理信道的所述声波信号。

参见图4，图4为传声器接收信号的功率谱密度图，从图中可以看出，传声器信号具有明显的6个频段，其范围与S0-S5一致。信号的功率随着频段的增高逐渐减小，相较于S4，S5与传声器之间的距离更小，所以虽然S5信号的频率高于S4，但其功率略高于S4.根据6个声源信号的频率范围可知，S0-S5之间的过渡频段分别为3.5kHz-4kHz,5.5kHz-6kHz,7.5kHz-8kHz,9.5kHz-10kHz和11.5kHz-12kHz.图4中可以看出，各过渡段的信号功率很低，平均比有效频段低19.3dB/Hz。本实施例利用过渡频带的间隔，通过Butterworth带通滤波器对原始信号进行分割。

图5是通过Butterworth带通滤波器分割后的声波信号的功率谱密度图。Seg_S0-Seg_S5分别是对原始信号分割后的声波信号。滤波的起始和终止频率分别对应S0-S5信号的起始和终止频率。从图5中可以看出，分割后信号的各有效频段被完整保留，过渡段和带阻段信号的功率被迅速衰减，从而得到了S0-S5所对应的各个传声器信号。

在实际应用中，还包括对滤波分离后的所述声波信号与预设参考信号进行互相关计算，获取多条声波路径上的飞渡时间。

具体地，频分复用方法分割后的信号分别与S0-S5对应的参考信号进行互相关计算，从而得到6条声波路径上的飞渡时间。为了验证频分复用方法飞渡时间计算的准确性，本发明对S0-S5到传声器的6条声波路径上的飞渡时间分别进行测量，与频分复用方法的测量结果进行对比，对比结果参见图6，图6为6条声波路径上飞渡时间的测量结果。频分复用方法计算的飞渡时间与单路径测量的飞渡时间非常接近，相对误差均小于0.35％。实验结果验证了频分复用方法在多信道环境的准确性和适用性。

在实际应用中，若在一个测量周期内，同时启停n个所述扬声器及m个所述传声器，则在一个测量周期t内得到n×m条声波路径上的所有信号。

可以理解的是，在声波法层析成像的图像重建中，n个扬声器可同时发送n个不同频带的声波信号，m个传声器对所有频段的n个信号同时接收。在一个测量周期内同时启动和停止n个扬声器及m个传声器，则可以在一个测量周期t内得到n×m条声波路径上的所有信号。由于此时仅单次且同时启动和停止所有的扬声器和传声器，所以不存在切换发射和接收时的系统延迟，即Δτ＝0，此时系统的测量周期为：

t＝τ

由上述公式可知，基于频分复用方法的声波信号发射和接收，可大幅缩短测量周期，且测量周期不再受到扬声器数目的制约。相较于声波法温度、速度测量的一般方法，在扬声器和传声器数量相同的条件下，本发明能够以最小的测量周期得到相同数量声波路径上的飞渡时间，测量周期是传统方法的

倍(n为扬声器数量)。

综上，本发明实现利用一条物理信道得到多通道的声波信号，提高了声波法气体温度、速度分布测量的时间分辨率。在扬声器和传声器数量相同的条件下，多个扬声器和传声器同时发射和接收声波信号，接收到的复合信号通过滤波器分离出对应的多个物理信道的声波信号，大幅提高了测量系统的时间分辨率和信道的利用率。本发明具有适用性好，应用场景广泛的特点，对于燃煤电厂锅炉温度分布的实时测量具有重要的应用价值。

参见图7，是本发明实施例提供的一种高时间分辨率的声波频分复用测量装置的结构示意图，该高时间分辨率的声波频分复用测量装置70包括：

信号模块71，用于根据多个扬声器同时发射多个声波信号，并根据多个传声器同时接收所述声波信号；

频分模块72，用于根据带通滤波器对不同波段所述声波信号分离，同时获取对应多个物理信道的声波信号。

图7所示实施例的装置对应地可用于执行图1所示方法实施例中的步骤，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

参见图8，是本发明实施例提供的一种高时间分辨率的声波频分复用测量设备的硬件结构示意图，该高时间分辨率的声波频分复用测量设备80包括：处理器81、存储器82和计算机程序；其中

存储器82，用于存储所述计算机程序，该存储器还可以是闪存(flash)。所述计算机程序例如是实现上述方法的应用程序、功能模块等。

处理器81，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以实现上述方法中设备执行的各个步骤。具体可以参见前面方法实施例中的相关描述。

可选地，存储器82既可以是独立的，也可以跟处理器81集成在一起。

当所述存储器82是独立于处理器81之外的器件时，所述设备还可以包括：

总线83，用于连接所述存储器82和处理器81。

本发明还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现上述的各种实施方式提供的方法。

其中，可读存储介质可以是计算机存储介质，也可以是通信介质。通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。计算机存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。例如，可读存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该可读存储介质读取信息，且可向该可读存储介质写入信息。当然，可读存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和可读存储介质可以位于专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，简称：ASIC)中。另外，该ASIC可以位于用户设备中。当然，处理器和可读存储介质也可以作为分立组件存在于通信设备中。可读存储介质可以是只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

本发明还提供一种程序产品，该程序产品包括执行指令，该执行指令存储在可读存储介质中。设备的至少一个处理器可以从可读存储介质读取该执行指令，至少一个处理器执行该执行指令使得设备实施上述的各种实施方式提供的方法。

在上述设备的实施例中，应理解，处理器可以是中央处理单元(英文：CentralProcessing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：DigitalSignal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application Specific IntegratedCircuit，简称：ASIC)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。结合本发明所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种高时间分辨率的声波频分复用测量方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据多个扬声器同时发射多个声波信号，并根据多个传声器同时接收所述声波信号，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，若在一个测量周期内，同时启停n个所述扬声器及m个所述传声器，则在一个测量周期t内得到n×m条声波路径上的所有信号。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据带通滤波器对不同波段所述声波信号分离，同时获取对应多个物理信道的声波信号，包括：

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测量周期为：

t＝τ

其中，t为测量周期。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

7.一种高时间分辨率的声波频分复用测量装置，其特征在于，包括：

8.一种高时间分辨率的声波频分复用测量设备，其特征在于，包括：存储器、处理器以及计算机程序，所述计算机程序存储在所述存储器中，所述处理器运行所述计算机程序执行权利要求1至6任一所述的方法。

9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用于实现权利要求1至6任一所述的方法。