基于超聲多普勒原理的三維流速儀的研究

夏麗娟，王 帥，紀(jì)紅軍

(北京尚水信息技術(shù)股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

超聲多普勒流速儀(ADV)運(yùn)用多普勒原理，采用遙距測(cè)量的方式，對(duì)距離探頭一定距離的采樣點(diǎn)進(jìn)行流速測(cè)量。超聲多普勒流速儀是應(yīng)用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理研制的測(cè)流儀。測(cè)量點(diǎn)在探頭的前方，不破壞流場(chǎng)，具有如下測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)：

1) 測(cè)量精度高，量程寬。

2) 可測(cè)弱流，也可測(cè)強(qiáng)流。

3) 分辨率高，響應(yīng)速度快。

4) 可測(cè)瞬時(shí)流速，也可測(cè)平均流速。

5) 線性度好，流速檢定曲線不易變化。

6) 探頭堅(jiān)固耐用，不易損壞，操作簡(jiǎn)便。

ADV已成為水力及海洋實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)流速測(cè)量?jī)x器，國(guó)內(nèi)需求量很大。

目前，世界上有挪威Nortek公司、美國(guó)Sontek公司提供測(cè)量水體三維流速的ADV設(shè)備。這兩家公司是國(guó)際上著名的、專業(yè)從事流動(dòng)測(cè)量?jī)x器研發(fā)的公司，Sontek公司開發(fā)和生產(chǎn)聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)和流速儀，應(yīng)用于海洋、河流、湖泊和實(shí)驗(yàn)室，在全世界范圍提供產(chǎn)品銷售和技術(shù)支持，可以為科研單位的實(shí)驗(yàn)室提供流體速度的測(cè)量設(shè)備，是國(guó)內(nèi)外ADV系統(tǒng)的主要供應(yīng)商。受制于國(guó)外大公司的技術(shù)和產(chǎn)品壟斷，國(guó)內(nèi)用戶購(gòu)買國(guó)外設(shè)備的維修和保養(yǎng)十分困難，影響設(shè)備的正常使用。購(gòu)置國(guó)外儀器，價(jià)格昂貴，維修困難，對(duì)教學(xué)和科研工作十分不利。我國(guó)作為發(fā)展中的大國(guó)，依賴國(guó)外的儀器和設(shè)備進(jìn)行科研，不少工作將處于被動(dòng)局面。

本文采用超聲多普勒測(cè)速計(jì)算，并結(jié)合模擬電路、FPGA、DSP等電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收、模擬信號(hào)放大、數(shù)字電路采集、信號(hào)處理、信號(hào)傳輸?shù)?，獲得水體流速，為水力學(xué)、流體力學(xué)基礎(chǔ)研究和國(guó)家能源、水資源利用和水污染防治等重大戰(zhàn)略需求提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐與設(shè)備保障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)主要包括超聲傳感器、信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊、信號(hào)邏輯控制模塊、信號(hào)處理模塊等5個(gè)部分。見(jiàn)圖1。信號(hào)發(fā)射模塊將脈沖信號(hào)傳送至超聲傳感器，超聲傳感器包含發(fā)射傳感器和接收傳感器，發(fā)射傳感器接收由發(fā)射模塊傳送的發(fā)射脈沖，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射到水介質(zhì)中。超聲波遇到水介質(zhì)中的顆粒后將發(fā)生信號(hào)的散射，接收端傳感器接收顆粒的散射信號(hào)后，將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由信號(hào)接收模塊將該電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大后，通過(guò)信號(hào)邏輯控制模塊進(jìn)行AD采集，并將AD采集后的數(shù)據(jù)傳輸至DSP；DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的處理與分析，獲得信號(hào)的頻移，從而計(jì)算得出水流的速度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of system

其中，超聲傳感器包含發(fā)射端和接收端，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維流速測(cè)量，因此采用一個(gè)發(fā)射和三個(gè)接收傳感器的結(jié)構(gòu)。信號(hào)發(fā)射模塊主要包含信號(hào)發(fā)生電路和功率放大電路，其中信號(hào)發(fā)生電路用于產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)與超聲換能器的中心頻率保持一致。功率放大電路將脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，較高功率的脈沖信號(hào)用來(lái)激勵(lì)超聲傳感器。信號(hào)接收模塊包含信號(hào)的放大和信號(hào)的濾波功能。由于水體中散射的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器的聲電轉(zhuǎn)換后，需要對(duì)接收的電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大和多次濾波。信號(hào)邏輯控制模塊包含AD采集和FPGA信號(hào)控制，接收信號(hào)通過(guò)放大和濾波后，進(jìn)行AD采集，由FGPA控制采集的同步性和采集頻率，再將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)EMIF接口傳輸至DSP。

2 流速儀測(cè)量原理

2.1 超聲多普勒流速測(cè)量原理

超聲多普勒原理把觀測(cè)源的頻率變化同觀測(cè)源和觀測(cè)者的相對(duì)速度相聯(lián)系。當(dāng)流動(dòng)的水體中所包含的細(xì)小的泥沙顆粒和其他物體伴隨水體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)射的超聲波頻率遇到顆粒物后發(fā)生反射和散射現(xiàn)象，則超聲頻率將發(fā)生變化，即由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的頻率的變化。

多普勒頻移即由于反射物的運(yùn)動(dòng)造成的接收到的反射信號(hào)的頻率變化，也能描述為兩個(gè)連續(xù)且獨(dú)立的反射信號(hào)的相位差，其原理示意圖見(jiàn)圖2。發(fā)射聲波的脈沖中只有非常小的聲波能量被反射回傳感器，大部分聲波能量被吸收或者是被反射到其它方向。當(dāng)反射體遠(yuǎn)離傳感器端時(shí)，超聲波頻率移到較低頻率，這種頻移同超聲傳感器與反射體之間的速度成比例。部分多普勒頻移的超聲波散射到接收傳感器端，散射體將作為超聲波源，超聲波頻移一次后，又再次頻移。通過(guò)對(duì)測(cè)量空間內(nèi)大量散射體的多普勒頻移信息的感知和處理，可計(jì)算出水流速度。

圖2中，f0為發(fā)射端發(fā)射頻率，相當(dāng)于發(fā)射源的頻率f0；fd為頻率f0經(jīng)過(guò)顆粒散射后的超聲波信號(hào)發(fā)生頻率的偏移，即多普勒頻移。f0+fd為顆粒散射后的頻率，相當(dāng)于再次發(fā)生頻移的發(fā)射源。

圖2 超聲多普勒原理Fig.2 Ultrasonic Doppler principle

2.2 三維測(cè)速原理

2.2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)為三維流速測(cè)量，傳感器空間結(jié)構(gòu)采用中間發(fā)射，3個(gè)接收傳感器在空間上均勻分布。由圖3可知，3個(gè)傳感器空間間隔角度為120°，假設(shè)X方向接收傳感器1與X方向的夾角為0°，則接收傳感器2與X方向夾角為120°，接收傳感器3與X方向夾角為240°。

2.2.2 頻移計(jì)算

接收傳感器接收回波信號(hào)，信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字電壓信號(hào)。由FPGA采集并傳輸至DSP。DSP將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分析獲得信號(hào)發(fā)生的頻移。信號(hào)處理部分，主要采用自相關(guān)算法計(jì)算頻移。在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，由于接收的回波含有一定的噪聲等因素，收到的回波往往不是單一頻率的波，而是帶有一定的譜展寬。在這種情況下，采用頻率估計(jì)的方法來(lái)計(jì)算其中心頻率的大小，自相關(guān)算法獲得頻移的大小。

2.2.3 速度計(jì)算

對(duì)于一發(fā)三收的結(jié)構(gòu)模式，假設(shè)任何一個(gè)接收傳感器與發(fā)射傳感器的夾角為α，見(jiàn)圖4。

圖3 傳感器位置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The diagram of sensors position

圖4 收發(fā)傳感器夾角Fig.4 The angle of between transmitter and receiver

當(dāng)信號(hào)從發(fā)射端發(fā)射固定頻率f0的脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)顆粒散射，再到接收端接收到信號(hào)，信號(hào)發(fā)生的頻移fd與顆粒的速度v關(guān)系如下：

(1)

式中：c為超聲在水中的傳播速度。

由圖3可知，為中間發(fā)射端，3個(gè)接收端在空間均勻分布。且發(fā)射端和任意接收端的夾角為α，則計(jì)算三維方向流速Vx、Vy、Vz的公式如下：

(2)

式中：fd1、fd2、fd3為3個(gè)接收傳感器接收信號(hào)計(jì)算的頻移；c為超聲在水中的傳播速度；f0為發(fā)射頻率。

3 流速測(cè)量實(shí)驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)常用的超聲多普勒流速儀為Nortek的小威龍，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與小威龍進(jìn)行流速的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖5。其中，藍(lán)色曲線為該系統(tǒng)下的流速儀(sinfotek)的測(cè)量速度，紅色為Nortek的流速儀的流速測(cè)量。從圖5中可以看到，其測(cè)量流速基本一致。

利用4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別為方差、均值、3倍方差以內(nèi)的比例以及評(píng)估比例，對(duì)測(cè)試結(jié)果分析比對(duì)。見(jiàn)表1。

圖5 速度比對(duì)圖Fig.5 The diagram of comparison of the velocity

設(shè)備名稱均值 /m·s-1方差3倍均方差百分比評(píng)估比例Sinfotek-ADV0.087 20.000 02999.49%0.062 281Nortek-ADV0.088 40.000 03299.56%0.064 168

4 結(jié) 論

本文開發(fā)了一種基于超聲多普勒原理的三維流速儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流速的三維方向流速的測(cè)量。通過(guò)一發(fā)三收的探頭結(jié)構(gòu)，獲得空間3個(gè)方向的速度，并根據(jù)3個(gè)接收探頭的空間關(guān)系合成出X，Y，Z 3個(gè)方向的流速。采用自相關(guān)算法獲得各個(gè)通道頻移，從而根據(jù)超聲多普勒原理計(jì)算出流速。

本系統(tǒng)在流速測(cè)量中仍存在不足，比如低于2 cm/s的流速，由于噪聲的原因，導(dǎo)致流速測(cè)量不準(zhǔn)。這點(diǎn)可以在后續(xù)工作中，通過(guò)提高信噪比、提高發(fā)射探頭的中心頻率、優(yōu)化算法等多方面的來(lái)解決。這些將在今后的工作中逐漸完善。