[發明專利]一種基于環狀交織陣列的懸浮物動態監測方法與裝置

有效

• 申請號: 201710474523.3
• 申請日: 2017-06-21
• 公開（公告）號: CN107144506B
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 寧更新;寧秋燕;王波文;張軍;馮義志;季飛
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06;G01N15/02;G01P5/24
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

1.一種基于環狀交織陣列的懸浮物動態監測方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、發送測量信號；

測量裝置相對于地面處于靜止狀態，在含有懸浮物的水中豎直向下發送測量信號s(t)：

式中，A是信號的幅度，W是信號的單邊帶寬，f₀是信號的中心頻率，其功率譜圖在正半軸上為幅度為0.5A、帶寬為2W、中心頻率為f₀的矩形脈沖：

f₀-Wff₀+W；

每隔周期T發送一次，即發送頻率為F＝1/T，發送時長為T₀，T₀T；

s(t)頻率范圍應包含在所用發射換能器和接收換能器的頻率范圍中，且發射換能器正下方有一個反射體，以保證接收換能器能充分接收到反射信號；

S2、計算信號到達反射體時的頻率；

選取地面作為參考系，以超聲發射探頭S的位置為坐標原點，垂直地面向下為z方向建立空間直角坐標系，則S的坐標為(0,0,0)，反射體G的坐標為(0,0,z)，相應的多個接收換能器均和超聲發射探頭S在同一平面上；

發射換能器S向z軸正方向，即方向發射測量信號，發送頻率為F；z方向的單位向量可表示為設水流速度為其中v_wx，v_wy，v_wz分別代表水流速度在坐標軸x、y、z三個方向上的分量，則水流速度在S→G方向的速度為：

對于水中的懸浮物，由于懸浮物體積和質量都較小，在水中的流速主要與水流速度有關，因此估計懸浮物的沉降速度或流動速度可轉換為計算懸浮水體的流速；假設聲波在水下的傳播速度為c，由于信號發射點S靜止，根據多普勒效應可得，信號到達反射體時的頻率為：

S3、計算信號到達接收探頭時的頻率；

L表示測量信號從發射換能器S出發傳至反射體G最后傳至接收換能器R_i的距離，為測量信號從反射體G傳至接收換能器R_i的傳播方向，α_i、β_i、γ_i分別為向量與坐標軸x、y、z的夾角，可得到向量的單位向量為則水流速度在G→R_i方向上的速度為：

聲波由反射體G至接收點R_i的過程中，受到水流的作用，因此測量信號會受到多普勒效應；對于測量信號s(t)，在發送端每隔周期T發送一次，信號在水中傳播的過程中由于多普勒效應產生多普勒頻移，因此接收端R_i最終接收到的反射信號r_i(t)的周期為接收頻率由于接收端沒有運動，因此信號到達第i個接收換能器R_i時的頻率為：

整理，得到測量信號s(t)從發送到接收的過程中，接收頻率與發送頻率之間的關系為：

其中，△_i為多普勒因子；

S4、需要M個接收換能器列出如上式所示的M個的等式，M≥3，即可求出上述v_wx、v_wy和v_wz三個未知數，由此求得懸浮水體的三維流速，即為懸浮物的速度；一個發射換能器和M個接收換能器組成一個收發陣列；

S5、估計懸浮物的濃度和線度分布；

利用信號功率譜對懸浮物濃度及線度分布做估計過程如下：

S5-1、采樣；

由于測量信號s(t)在水中受到衰減，同時受多普勒效應的影響，因此對第i個接收換能器R_i接收到的信號r_i(t)，i＝1,2,..,M，采樣后得到的信號為：

其中，B_i、△_i分別為接收信號的幅度和多普勒因子，w_i(n)為信號噪聲，采樣頻率f_s＝1/T_s，其中f_s2f(f₀+W)，△_i可由步驟S3求出；

S5-2、對接收信號r_i(n)的自相關函數R_i(n)作2N點離散傅里葉變換，得：

S5-3、對該收發陣列的信號進行分析，發射換能器S的系統函數為H₁(f)，接收換能器的系統函數均為H₂(f)，同一個收發陣列中的接收換能器參數相同，且系統函數H₁(f)和H₂(f)可通過查看相應的換能器參數獲得；

測量信號s(t)發射出去時先經過系統H₁(f)，同時，接收到的信號r_i(t)也先經過系統H₂(f)，因此在水中傳播前和在水中傳播過后的測量信號功率譜分別為H₁(f)S(f)和S_Ri(k)/H₂(f)；

S5-4、由步驟S5-3，測量信號在接收換能器R_i相應的f_sk/N頻點上的離散信號功率譜為測量信號在發射換能器S相應的f_sk/N頻點上的離散信號功率譜為由此得到衰減參數Q_k：

表示測量信號經過水體前后的衰減參數；

S5-5、對于M個接收換能器接收的信號，對信號相應區間離散功率譜進行疊加，根據衰減參數Q_k和傳輸距離L反演出懸浮物的濃度，Q_k的下標k＝0,1,…,N-1，而測量信號的每個頻點f_sk/N則對應了四分之一波長線度的懸浮物的濃度。