[發明專利]不透明渾濁液體中的超聲測距系統和方法

有效

• 申請號: 201610118061.7
• 申請日: 2016-03-02
• 公開（公告）號: CN105676225B
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 王沖;彭召斌;廉國選
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01S15/08
• 分類號: G01S15/08
• 代理公司: 北京億騰知識產權代理事務所11309
• 代理人: 陳霽

技術領域

本發明涉及超聲領域，特別涉及超不透明渾濁液體中的超聲測距系統和方法。

背景技術

超聲波具有能量集中、對電磁干擾不敏感等優勢，超聲波測距是一種有效的非接觸式測距方法。尤其在測試條件惡劣的流體環境下，超聲波可實現比激光、紅外等方式更安全、可靠的測量。

常見的水下超聲測距是針對半透明或透明度較高的海水，采用閾值判斷法，利用回波信號的電壓觸發比較器，以判斷回波到達時刻，該時刻與聲速乘積的一半即所測的單程距離。超聲測距設備多采用單片機作為控制核心，激勵電壓較低，控制精度和實時性不足，系統信噪比提高和信號處理方法有限，測量精度一般在厘米級，常用于反射表面平整、干擾較低的環境。但是在不透明的渾濁液體中，聲波散射噪聲干擾十分強烈，尤其在反射面粗糙或多角度反射的情況下，回波信號多而復雜，常規的硬件結構無法保證系統良好的信噪比，簡單回波處理和距離計算方法難以準確提取有效信號，造成測距范圍減小、精度降低，難以滿足冶金、核燃料處理和化工等領域中不透明渾濁液體下的高精度測距。

發明內容

本發明實施例在第一方面提供一種可應用于不透明渾濁液體的超聲測距系統，該系統包括控制單元，根據控制參數，完成對高壓激勵信號和深度增益補償的可編程控制；換能器，在高壓激勵信號的激勵之下發射聲束并且接收回波信號；控制單元，根據深度增益補償回波信號；計算單元，對回波信號經多回波處理和基于中心矩的距離計算，從而完成測距。

優選地，所述控制單元是FPGA。

優選地，所述系統包括上位機和終端，上位機通過數據總線將控制參數下傳至終端；控制單元和換能器位于終端，計算單元在上位機，回波信號經數據總線或數據鏈路上傳給上位機。

優選地，多回波處理采用二級濾波和小波變換相結合，第一級濾波采用級聯積分梳妝濾波器，實現高速采樣數據的抽取和低通濾波，可降低系統處理壓力并濾除高頻噪聲；第二級濾波采用FIR濾波器實現帶通濾波

優選地，基于中心矩的距離計算包括將時間量按序分為多個矩陣，分別計算每個矩陣的三階中心矩，取其值小的一個矩陣作為平穩矩陣，該平穩矩陣時間量的平均值即作為該待測點回波時間，結合聲速和探頭內聲波延時參數來計算該點距離。

在第二方面，本發明實施例提供一種可應用于不透明渾濁液體中的超聲測距方法。該方法包括在高壓激勵之下，換能器發射聲束；接收回波信號后，根據深度增益補償回波信號；回波信號經多回波處理和基于中心矩的距離計算，從而完成測距。

本發明實施例包括基于FPGA的高信噪比數字控制系統、多回波處理算法和基于中心矩的距離計算算法，實現了高精度、大范圍的距離測量，同時采用USB總線，實現了靈活通用的便攜式測距系統。

附圖說明

圖1是本發明實施例的超聲測距系統的分解示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

本發明為不透明渾濁液體下的物體間距提供一種高精度測量方法和系統，以滿足冶金、核燃料處理和化工等領域的實驗和反應測距要求。在不透明渾濁液體中，強烈的噪聲干擾或復雜界面反射會極大地降低信噪比，常規水下超聲測距所無法實現準確測量。本發明實施例基于例如FPGA的高信噪比數字控制系統、多回波處理算法和基于中心矩的距離計算算法，可實現強烈噪聲干擾下的信噪比提高和復雜界面反射下的回波時間準確提取，顯著提高不透明渾濁液體下超聲測距精度和測量范圍。

圖1是本發明實施例的超聲測距系統的分解示意圖。如圖1所示，超聲測距系統可在結構上分為兩部分，上位機和基于FPGA的終端。上位機通過USB總線將控制參數下傳至終端中的FPGA單元，在終端中，FPGA根據控制參數，完成對換能器的高壓激勵和深度增益補償。深度增益補償后的回波經AD轉換通過USB總線上傳給上位機。上位機中，回波信號經多回波處理模塊(或算法)和基于中心距的高精度距離計算模塊(或算法)處理，然后將計算好的距離進行顯示，從而完成測距。

在終端中，設計了基于FPGA的高信噪比數字控制系統，通過可調脈寬高壓激勵、深度增益補償等方式降低噪聲，提高系統信噪比。壓電式換能器的激勵電壓對發射聲束的能量有直接影響，激勵電壓越高則輻射聲場能量越強。高壓激勵模塊例如是200V高壓脈沖可調激勵電路，它以FPGA為控制核心，通過邏輯配置，可實現200V高壓、50ns-1000ns可調脈寬的激勵脈沖，準確匹配不同頻率換能器，提高了聲場激發效率和入射聲場能量，為系統信噪比的提高打下了基礎。