本發(fā)明涉及了一種處理實(shí)時(shí)測量流體流速,特別是用于一種用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法。
背景技術(shù):
在用多普勒超聲波測量流體流速時(shí),需要根據(jù)發(fā)射出去的超聲波信號,遇到前面流體粒子,然后進(jìn)行反射將超聲波信號傳回接收器,經(jīng)過流體粒子反射后,將傳入接收器的信號與發(fā)射信號相比,發(fā)生了改變,根據(jù)多普勒原理,需要通過發(fā)射信號和接收信號分析得到流體粒子的運(yùn)動速度,也就是流體的流速。但是現(xiàn)有的用多普勒超聲波流速儀在單位時(shí)間為內(nèi)通過快速傅里葉變換fft計(jì)算得到流動水頻譜圖,大約有20萬個數(shù)據(jù)。利用快速傅里葉變換(FFT)對接收信號進(jìn)行頻譜分析,信號由于在水中粒子數(shù)量少,體積較小,會使接收信號的噪聲太多,導(dǎo)致信噪比太差。接受信號中存在固定干擾,而且固定干擾噪聲附近存在的干擾噪聲較大,無法準(zhǔn)確地得到流速點(diǎn)的流速。
目前國內(nèi)尚沒有基于多普勒超聲波精確測量流速的信號處理方法,該方案中就是把采集到的接受信號,經(jīng)過該方法的處理后得到精確的流速值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本申請的發(fā)明目的在于提供一種用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法,該方法可以在眾多的干擾噪聲中,準(zhǔn)確地找到流速點(diǎn)的流速,最終得到穩(wěn)定性好的流速值。
為了完成本申請的發(fā)明目的,本申請采用以下技術(shù)方案:
本發(fā)明的一種用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法,多普勒超聲流速儀包括:計(jì)算機(jī)、控制器、接收器和發(fā)射器,接收器和發(fā)射器分別與控制器,計(jì)算機(jī)與控制器相連,該方法它包括以下步驟:
(a)、用多普勒超聲波流速儀在單位時(shí)間為20-40毫秒內(nèi)通過快速傅里葉變換fft計(jì)算得到流動水頻譜圖,在該流動水頻譜圖中,以頻率f為橫坐標(biāo),以頻率f所對應(yīng)的幅值M為縱坐標(biāo);
(b)、在上述流動水頻譜圖中選擇頻率為f=f0-v/k范圍內(nèi)的頻譜進(jìn)行分析,其中v為上述流動水的范圍值,單位為m/s,f0為固定頻率,單位為赫茲,k為=(超聲波在水中傳播的速度)/(接收傳感器頻率*(cos θ1+cos θ2)),超聲波在水中傳播的速度的單位為為m/,接收傳感器頻率的單位為赫茲,得到流動水頻譜截圖。采用帶通濾波方式過濾掉硬件引入的噪聲,找到有效信號;
(c)、對上述頻譜局部圖中的所有點(diǎn)的頻率進(jìn)行加權(quán)平均,得到一個加權(quán)平均頻率值;即f’=(M1*f1+M2*f2+…+Mn*fn)/(M1+M2+…+Mn),通過計(jì)算v=(f’-f0)*k得到上述流速點(diǎn)(5)的一個流速;
(d)、重復(fù)上述步驟(a)-(c),取在q倍的單位時(shí)間內(nèi)1至q個流速,以所得到的上述各個流速的時(shí)間順序?qū)ι鲜龈鱾€流速依次進(jìn)行排列,q為5至13自然數(shù)中的奇數(shù);
(e)、將上述各個流速按照數(shù)值的大小進(jìn)行排序后,取其中間值即得到了上述各個流速的中間流速值,當(dāng)上述各個流速在中間流速值*(1-s)至中間流速值*(1+s)的范圍外,該流速被賦予為中間流速值;當(dāng)上述各個流速在中間流速值*(1-s)至中間流速值*(1+s)的范圍內(nèi),上述各個流速即為該點(diǎn)本身的流速,s的取值范圍為0.1-0.8,對上述流速進(jìn)行規(guī)范;
(f)、重復(fù)步驟(d)至(e)步驟,取在q倍的單位時(shí)間內(nèi)2至q+1個流速,對2至q+1個流速進(jìn)行規(guī)范;依此類推,得到在所測時(shí)間內(nèi)的流速點(diǎn)的流速。
本發(fā)明的用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法,其中:接收器(4)的接收頻率與發(fā)射器的發(fā)射頻率相同,f0=接收器(4)的接收頻率-混頻信號頻率,混頻信號頻率:是控制器自身產(chǎn)生的固定頻率。
本發(fā)明的用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法,其中:所述的單位時(shí)間為20毫秒。
本發(fā)明的用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法,其中:所述的θ1為接收器(4)發(fā)射的超聲波與水流夾角;θ2為發(fā)射器(3)發(fā)射的超聲波與水流夾角。
本發(fā)明的用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法,其中:所述的步驟(a)-(f)均是通過計(jì)算機(jī)來計(jì)算完成的。
本發(fā)明的用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法,其中:所述的步驟(e)中s的取值范圍為0.4-0.6。
本發(fā)明的用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法基于超聲多普勒原理,將接收信號和發(fā)送信號進(jìn)行頻譜分析,通過濾波方式提取接受信號中的有用信息,與發(fā)送信號的固定頻率求差,得到頻率偏移值,然后根據(jù)多普勒原理,進(jìn)一步得到流速值,該方法可以在眾多的干擾噪聲中,準(zhǔn)確地找到流速點(diǎn)的流速,最終得到穩(wěn)定性好的流速值
附圖說明
圖1為用多普勒超聲波流速儀在測量河流的水流速的俯向示意圖;
圖2為本發(fā)明的流動水頻譜圖;
圖3為本發(fā)明的流動水頻譜截圖;
圖4顯示了本發(fā)明的頻譜局部圖,如圖中的細(xì)線所畫長方形內(nèi)的部分;
圖5為本發(fā)明多普勒超聲波流速儀的各個部件之間的連接關(guān)系的示意圖。
在圖1和圖5中,標(biāo)號1為計(jì)算機(jī);標(biāo)號2為控制器;標(biāo)號3為發(fā)射器;標(biāo)號4為接收器,標(biāo)號5為流速點(diǎn);標(biāo)號6為河流。
具體實(shí)施方式
如圖5所示,本申請的多普勒超聲流速儀包括:計(jì)算機(jī)1、控制器2、接收器4和發(fā)射器3,接收器4和發(fā)射器3分別與控制器2,計(jì)算機(jī)1與控制器2相連,如圖1所示,圖1直的箭頭指示為河流6的流向,θ1為接收器4發(fā)射的超聲波與水流夾角;θ2為發(fā)射器3發(fā)射的超聲波與水流夾角,本發(fā)明是針對河流6的流速點(diǎn)5進(jìn)行檢測的。
本發(fā)明的一種用多普勒超聲波流速儀得到水流速信號的處理方法,該方法它包括以下步驟:
(a)、用圖1所示的多普勒超聲波流速儀在單位時(shí)間為20-40毫秒內(nèi)(例如在20毫秒)通過快速傅里葉變換fft計(jì)算得到流動水頻譜圖,如圖2所示,在該流動水頻譜圖中,以頻率f為橫坐標(biāo),以頻率f所對應(yīng)的幅值M為縱坐標(biāo);
(b)、在上述流動水頻譜圖中選擇頻率為f=f0-v/k范圍內(nèi)的頻譜進(jìn)行分析,其中v為上述流動水的范圍值,單位為m/s,f0為固定頻率,k=(超聲波在水中傳播的速度)/(接收傳感器頻率*(cos θ1+cos θ2)),例如:超聲波在水中傳播的速度為1492m/s,圖1中θ1和θ2為15°,接收傳感器頻率為5*106赫茲,f0=接收器4的接收頻率-混頻信號頻率,混頻信號頻率:是控制器2自身產(chǎn)生的固定頻率,混頻信號頻率為4545450赫茲, f0=454550赫茲,k=1.544*10-1,v選自-5m/s至5m/s,通過計(jì)算得到f在4.2218*105赫茲至4.8692*105赫茲的內(nèi),將圖2中頻率在上述f的范圍內(nèi)截取,得到圖3所示的流動水頻譜截圖。采用帶通濾波方式過濾掉硬件引入的噪聲,找到有效信號;
(c)、對上述頻譜局部圖中的所有點(diǎn)的頻率進(jìn)行加權(quán)平均,得到一個加權(quán)平均頻率值;即f’=(M1*f1+M2*f2+…+Mn*fn)/(M1+M2+…+Mn),通過計(jì)算v=(f’-f0)*k得到上述流速點(diǎn)5的一個流速v=4.2m/s;
(d)、在下一個單位時(shí)間內(nèi),多普勒超聲流速儀通過快速傅里葉變換fft計(jì)算得到流動水頻譜圖,重復(fù)上述步驟(a)-(c),找到在這個單位時(shí)間內(nèi)的上述流速點(diǎn)5的流速;重復(fù)上述步驟(a)-(c),找到在q倍單位時(shí)間內(nèi)的上述流速點(diǎn)5的流速;以所得到的上述流速點(diǎn)5的順序?qū)ι鲜隽魉冱c(diǎn)5的流速進(jìn)行依次排列,q為5至13自然數(shù)中的奇數(shù),例如q為7,得到上述流速點(diǎn)分別為4.2;3.6;3.8;4.4;6.8;2.0;3.2;
(e)、將上述各個流速按照數(shù)值的大小進(jìn)行排序后,取其中間值即得到了上述各個流速的中間流速值為3.8,當(dāng)上述各個流速在中間流速值*(1-s)至中間流速值*(1+s)的范圍外,該流速被賦予為中間流速值;當(dāng)上述各個流速在中間流速值*(1-s)至中間流速值*(1+s)的范圍內(nèi),上述各個流速即為該點(diǎn)本身的流速,s的取值范圍為0.1-0.8,對上述各個流速進(jìn)行規(guī)范,例如取s=0.4,得到上述流速的范圍在2.28至5.32之間;那么上述流速分別為4.2;3.6;3.8;4.4;3.8;3.8;3.2;其中第5和第6單位時(shí)間內(nèi)的流速被賦予為中間流速值;
(f)、重復(fù)步驟(d)至(e)步驟,取在q倍的單位時(shí)間內(nèi)2至q+1個流速,對2至q+1個流速進(jìn)行規(guī)范;第8個單位時(shí)間流速點(diǎn)5的流速為3.0;例如取2至8個時(shí)間段內(nèi)的流速為:3.6;3.8;4.4;6.8;2.0;3.2;3.0,得到中間流速值為3.6,例如取s=0.4,得到上述流速點(diǎn)的范圍在2.16至5.04之間;那么上述時(shí)間段流速點(diǎn)5的流速分別為4.2;3.6;3.8;4.4;3.6;3.6;3.2;3.0,其中第5和第6單位時(shí)間內(nèi)的流速被再次賦予為在這個比較時(shí)間段的中間流速值;依此類推,對所有時(shí)間段流速點(diǎn)5的流速進(jìn)行規(guī)范,得到在所測時(shí)間內(nèi)的流速點(diǎn)的流速。
以上描述是對本發(fā)明的解釋,不是對發(fā)明的限定,本發(fā)明所限定的范圍參見權(quán)利要求,在不違背本發(fā)明的精神的情況下,本發(fā)明可以作任何形式的修改。