[發(fā)明專利]基于多頻水聲信號的懸移質(zhì)測量系統(tǒng)及信號處理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810083810.6
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108303357B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張吉棟;王超;鄭豪鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州開閎環(huán)境科技有限公司
• 主分類號: G01N15/06
• 分類號: G01N15/06;G01N15/02
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• 代理人: 暫無信息

1.基于多頻水聲信號的懸移質(zhì)測量系統(tǒng)，其特征在于：包括水聲換能器組和電子箱，所述電子箱內(nèi)設(shè)有信號產(chǎn)生設(shè)備、功率放大器、前置放大器、信號采集設(shè)備和電源設(shè)備，所述信號產(chǎn)生設(shè)備連接所述功率放大器，所述功率放大器連接有前置放大器，所述前置放大器連接所述信號采集設(shè)備，所述信號采集設(shè)備連接有信號處理設(shè)備，所述信號產(chǎn)生設(shè)備、功率放大器、前置放大器和信號采集設(shè)備均與所述電源設(shè)備相連接；所述功率放大器連接所述水聲換能器組；所述信號處理設(shè)備為上位機(jī)，所述上位機(jī)內(nèi)設(shè)有實時信號處理與顯控軟件；發(fā)射多頻聲信號到水中并接收采集懸移質(zhì)的后向散射聲信號，然后將數(shù)字信號處理結(jié)果與實時信號處理與顯控軟件中的已有模型進(jìn)行匹配，從而計算出懸移質(zhì)信息，具體包括以下處理步驟：

(1)首先，利用后向體積散射模型劉伯勝-水聲學(xué)原理，建立對應(yīng)的聲吶方程如下式：

其中，SL是聲源級；EL是回聲級；R是散射體距離換能器表面的距離；α是聲吸收系數(shù)，α＝αs+αw，其中αs是散射體的聲吸收系數(shù)，αw是純水的吸收系數(shù)；Ψ是收發(fā)合置模式下的等效合成束寬；c是水中聲速；T是聲信號脈沖長度；BSv是體積散射強(qiáng)度；然后根據(jù)散射體聲吸收系數(shù)和有效后向散射截面計算公式：

其中，χ(a)表示歸一化的總體后向散射截面積；ρs表示粒子的密度；f(a)是因子函數(shù)；a為粒子半徑；m為單個粒子的質(zhì)量；

將上述α_s，σ_bs帶入前面的聲吶方程，得到如下：

把懸移質(zhì)粒徑分布建模為對數(shù)高斯分布，

其粒徑均值E和方差δ分別為：

(2)首先計算已知參數(shù)包括EL，SL’，R，αw，χ(a)，ρ_s，ψ，c，T，f(a)；其中，SL’是包含SL和其他在等式變換中的恒定常數(shù)項；然后設(shè)定合理的粒徑分布函數(shù)方差和均值的離散點，其中粒徑方差δ有I個備選值，粒徑均值E有J個備選值；按照2級循環(huán)的方式，依次選擇參數(shù)μ和σ，計算其對應(yīng)的粒徑分布函數(shù)n(a)和粒徑均值E；

依次計算其聲吶方程中的和則上述等式簡化為

EL＝SL”+C₁(M)M+10lg(M)

其中SL”包含已知等式右邊所有常數(shù)項之和，C₁(M)是聲吸收函數(shù)；建立迭代關(guān)系式

當(dāng)前后2次的M值之差的絕對值小于設(shè)定的門限時，則停止迭代，輸出M_i,j,k；

然后依次計算4個頻率對應(yīng)的等式，獲得懸移質(zhì)濃度M的歸一化均方差Δ_i,j；

其中

最后搜索均方差Δ_i,j的最小值，其對應(yīng)的M，μ和σ就是最優(yōu)測量值，得出粒徑分布n(a)和粒徑均值E；

所述水聲換能器組包含4個不同頻率的換能器。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多頻水聲信號的懸移質(zhì)測量系統(tǒng)，其特征在于：所述水聲換能器組與電子箱之間通過電纜連接，所述電纜長度從0.2到20米。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多頻水聲信號的懸移質(zhì)測量系統(tǒng)，其特征在于：所述電子箱上設(shè)有BNC公頭，所述電纜上設(shè)有BNC母頭，所述BNC公頭與所述BNC母頭相匹配。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多頻水聲信號的懸移質(zhì)測量系統(tǒng)，其特征在于：所述水聲換能器組連接有安裝支架，所述安裝支架包括換能器安裝頭和安裝桿，所述換能器安裝頭用于固定各個換能器，所述換能器安裝頭連接所述安裝桿。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多頻水聲信號的懸移質(zhì)測量系統(tǒng)，其特征在于：所述信號產(chǎn)生設(shè)備產(chǎn)生換能器工作頻段內(nèi)的頻率和長度的窄帶或?qū)拵盘枺凰龉β史糯笃鲀?nèi)部包括電流放大器、驅(qū)動放大器和末級功率放大器，負(fù)責(zé)對原始發(fā)射信號進(jìn)行濾波和放大形成大功率信號，驅(qū)動換能器發(fā)出聲信號；所述前置放大器負(fù)責(zé)對接收的原始微弱信號進(jìn)行濾波和放大，形成被后端信號采集設(shè)備獲取的大幅度信號；所述信號采集設(shè)備負(fù)責(zé)把模擬信號變換為數(shù)字信號，所述信號處理設(shè)備負(fù)責(zé)對數(shù)字信號進(jìn)行實時或非實時處理，計算泥沙濃度和粒徑分布信息；信號處理設(shè)備為能夠?qū)?shù)字信號進(jìn)行處理的設(shè)備。