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，采用遙距測量的方式，對距離探頭一定距離的采樣點(diǎn)進(jìn)行流速測量。超聲多普勒流速儀是應(yīng)用聲學(xué)多普勒效應(yīng)原理研制的測流儀。測量點(diǎn)在探頭的前方，不破壞流場，具有如下測量優(yōu)勢：

1) 測量精度高，量程寬。

2) 可測弱流，也可測強(qiáng)流。

3) 分辨率高，響應(yīng)速度快。

4) 可測瞬時(shí)流速，也可測平均流速。

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，操作簡便。

ADV已成為水力及海洋實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)流速測量儀器，國內(nèi)需求量很大。

目前，世界上有挪威Nortek公司、美國Sontek公司提供測量水體三維流速的ADV設(shè)備。這兩家公司是國際上著名的、專業(yè)從事流動測量儀器研發(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量設(shè)備，是國內(nèi)外ADV系統(tǒng)的主要供應(yīng)商。受制于國外大公司的技術(shù)和產(chǎn)品壟斷，國內(nèi)用戶購買國外設(shè)備的維修和保養(yǎng)十分困難，影響設(shè)備的正常使用。購置國外儀器，價(jià)格昂貴，維修困難，對教學(xué)和科研工作十分不利。我國作為發(fā)展中的大國，依賴國外的儀器和設(shè)備進(jìn)行科研，不少工作將處于被動局面。

本文采用超聲多普勒測速計(jì)算，并結(jié)合模擬電路、FPGA、DSP等電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號發(fā)射、信號接收、模擬信號放大、數(shù)字電路采集、信號處理、信號傳輸?shù)龋@得水體流速，為水力學(xué)、流體力學(xué)基礎(chǔ)研究和國家能源、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、信號發(fā)射模塊、信號接收模塊、信號邏輯控制模塊、信號處理模塊等5個(gè)部分。見圖1。信號發(fā)射模塊將脈沖信號傳送至超聲傳感器，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)生信號的散射，接收端傳感器接收顆粒的散射信號后，將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號。由信號接收模塊將該電信號進(jìn)行濾波、放大后，通過信號邏輯控制模塊進(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)字信號的處理與分析，獲得信號的頻移，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)。信號發(fā)射模塊主要包含信號發(fā)生電路和功率放大電路，其中信號發(fā)生電路用于產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號，該脈沖信號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進(jìn)行功率放大，較高功率的脈沖信號用來激勵(lì)超聲傳感器。信號接收模塊包含信號的放大和信號的濾波功能。由于水體中散射的超聲信號經(jīng)過傳感器的聲電轉(zhuǎn)換后，需要對接收的電信號進(jìn)行信號放大和多次濾波。信號邏輯控制模塊包含AD采集和FPGA信號控制，接收信號通過放大和濾波后，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EMIF接口傳輸至DSP。

2 流速儀測量原理

2.1 超聲多普勒流速測量原理

超聲多普勒原理把觀測源的頻率變化同觀測源和觀測者的相對速度相聯(lián)系。當(dāng)流動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，即由于相對運(yùn)動導(dǎo)致的頻率的變化。

多普勒頻移即由于反射物的運(yùn)動造成的接收到的反射信號的頻率變化，也能描述為兩個(gè)連續(xù)且獨(dú)立的反射信號的相位差，其原理示意圖見圖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。通過對測量空間內(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)過顆粒散射后的超聲波信號發(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 三維測速原理

2.2.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)為三維流速測量，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，信號通過AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字電壓信號。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發(fā)生的頻移。信號處理部分，主要采用自相關(guān)算法計(jì)算頻移。在實(shí)際的測量過程中，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)信號從發(fā)射端發(fā)射固定頻率f0的脈沖信號，信號經(jīng)過顆粒散射，再到接收端接收到信號，信號發(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 流速測量實(shí)驗(yàn)

目前，國內(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)行流速的比對實(shí)驗(yàn)，見圖5。其中，藍(lán)色曲線為該系統(tǒng)下的流速儀(sinfotek)的測量速度，紅色為Nortek的流速儀的流速測量。從圖5中可以看到，其測量流速基本一致。

利用4個(gè)評價(jià)指標(biāo)，分別為方差、均值、3倍方差以內(nèi)的比例以及評估比例，對測試結(jié)果分析比對。見表1。

圖5 速度比對圖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)了對流速的三維方向流速的測量。通過一發(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)致流速測量不準(zhǔn)。這點(diǎn)可以在后續(xù)工作中，通過提高信噪比、提高發(fā)射探頭的中心頻率、優(yōu)化算法等多方面的來解決。這些將在今后的工作中逐漸完善。