用于起伏界面的mimo稀疏陣列的超聲測(cè)量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于MIMO稀疏陣元的編碼信號(hào)發(fā)射的兩種超聲測(cè)量方法及系統(tǒng)，屬于超聲測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，用于測(cè)量類(lèi)似波動(dòng)液位、積雪深度這樣的不規(guī)則起伏界面，有效提高了起伏界面情況下距離測(cè)量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明利用稀疏陣列對(duì)起伏界面從不同角度進(jìn)行超聲測(cè)量，采用了兩種發(fā)射信號(hào)模式：分時(shí)發(fā)射模式和同時(shí)發(fā)射模式。這兩種發(fā)射模式都由稀疏陣列發(fā)射信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通道分離后，進(jìn)行波束形成處理。本發(fā)明能夠有效的區(qū)分不同虛擬陣元的回波信號(hào)，有利于進(jìn)行波束形成處理，提高起伏界面距離測(cè)量的準(zhǔn)確度，另外，采用同時(shí)發(fā)射信號(hào)模式可以應(yīng)用到起伏界面快速變化的測(cè)量中，避免由起伏界面的快速變化而產(chǎn)生距離模糊，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于起伏界面的MIMO稀疏陣列的超聲測(cè)量方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及兩種用于測(cè)量波動(dòng)液位、積雪深度等起伏界面的MMO稀疏陣列的超聲測(cè)量方法及能夠?qū)崿F(xiàn)這些方法的測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲測(cè)量是一種高性價(jià)比的測(cè)量方法，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。例如在氣象領(lǐng)域，能夠借助超聲液位測(cè)量實(shí)現(xiàn)降雨量和蒸發(fā)量的測(cè)量，借助超聲距離測(cè)量實(shí)現(xiàn)積雪深度的測(cè)量。然而，在用超聲測(cè)量方法獲取這些氣象要素的同時(shí)，由于液位的波動(dòng)或界面的起伏，傳統(tǒng)的點(diǎn)超聲測(cè)量方 法很可能產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。
[0003]為了減少在這些應(yīng)用中的測(cè)量誤差，一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法是用空間采樣，然后進(jìn)行空間采樣平均。相控陣掃描方法是其中的一種方法，但是該方法需要的通道數(shù)較大，系統(tǒng)成本較高，因而不能被廣泛采用。超聲測(cè)量方法在渡越時(shí)間(TOF)估計(jì)、發(fā)射信號(hào)、回波信號(hào)處理等方面被加以研究，并取得一定的進(jìn)展。在TOF估計(jì)方面,2006年Angrisani L等在((IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement))上發(fā)表的((Ultrasonictime-of-flight eatimation through unscented kalman filter》，利用無(wú)損卡爾曼濾波處理超聲回波信號(hào)，得到回波信號(hào)的包絡(luò)線，同離散擴(kuò)展卡爾曼濾波相比，TOF估計(jì)精度得到提高的同時(shí)減少了計(jì)算量；在發(fā)射信號(hào)方面，2010年臧懷剛等在《傳感器與儀器儀表》上發(fā)表的《應(yīng)用線性調(diào)頻信號(hào)的智能超聲液位儀》，將線性調(diào)頻波應(yīng)用到超聲液位測(cè)量中，并結(jié)合匹配濾波技術(shù)提高液位測(cè)量的準(zhǔn)確性；在回波信號(hào)處理方面，2011年黃新建等在《水文》上發(fā)表的《提高氣介式超聲波水位計(jì)測(cè)量精度的探討》，利用數(shù)字采樣技術(shù)補(bǔ)償超聲波的回波前沿，提高降雨量測(cè)量的準(zhǔn)確性。然而，以上方法主要由一個(gè)或兩個(gè)超聲換能器組成，為單通道探測(cè)系統(tǒng)，這些傳統(tǒng)方法僅估計(jì)整個(gè)液位的一個(gè)定點(diǎn)的距離值，對(duì)于起伏界面的距離測(cè)量，以上方法都容易產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，目前，尚缺乏一種更為精確的針對(duì)起伏界面的超聲測(cè)量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了兩種基于MMO稀疏陣元的編碼信號(hào)發(fā)射的超聲測(cè)量方法及能夠?qū)崿F(xiàn)這些方法的超聲測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量類(lèi)似波動(dòng)液位、積雪深度這樣的不規(guī)則起伏界面，有效提高了起伏界面情況下距離測(cè)量的準(zhǔn)確性。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0006]一種用于起伏界面的MMO稀疏陣列的超聲測(cè)量方法，采用MMO稀疏陣元陣列，由M個(gè)發(fā)射陣元和N個(gè)接收陣元等效成MXN個(gè)均勻排布的虛擬陣元；包括如下步驟:
[0007]步驟A，采用M個(gè)發(fā)射陣元分時(shí)發(fā)射相同的線性調(diào)頻波，發(fā)射信號(hào)為:
[0008]SI (t) = exp {j (2 π f0t+ ji μ t2)}, 0 ^ t ^ T
[0009]其中，&為線性調(diào)頻波的起始頻率，μ = Β/Τ為線性調(diào)頻波的調(diào)頻斜率，其中B為調(diào)頻帶寬，T為信號(hào)持續(xù)時(shí)間；[0010]步驟B，N個(gè)接收陣元接收相應(yīng)的虛擬陣元回波信號(hào)，回波信號(hào)為:
[0011]rl (m, n, t) = a ^Sl (t_ Δ tmn)l≤n≤N
[0012]其中，α ?為回波信號(hào)衰減系數(shù)，m、n分別表示第m個(gè)發(fā)射陣元和第η個(gè)接收陣元，Δ 為發(fā)射信號(hào)從第m個(gè)發(fā)射陣元到目標(biāo)，再由目標(biāo)到第η個(gè)接收陣元的傳播時(shí)間；
[0013]步驟C，對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，獲取回波數(shù)據(jù)矩陣:
[0014]步驟C-1，將每個(gè)回波信號(hào)對(duì)應(yīng)虛擬陣元重組成MXN個(gè)獨(dú)立通道的回波信號(hào)；
[0015]步驟C-2，利用回波數(shù)據(jù)矩陣中rl (2，I, t)和rl (3，4，t)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波處理得到相應(yīng)的渡越時(shí)間ΛΤ1和ΛΤ2 ;
[0016]步驟C-3，通過(guò)計(jì)算公式(Λ Tl+Λ T2) c/2初步估計(jì)出起伏界面的距離；
[0017]步驟C-4，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)求和波束形成處理:
[0018]
【權(quán)利要求】
1.一種用于起伏界面的MMO稀疏陣列的超聲測(cè)量方法，其特征在于，采用MMO稀疏陣元陣列，由M個(gè)發(fā)射陣元和N個(gè)接收陣元等效成MXN個(gè)均勻排布的虛擬陣元；包括如下步驟: 步驟A，采用M個(gè)發(fā)射陣元分時(shí)發(fā)射相同的線性調(diào)頻波，發(fā)射信號(hào)為:
SI (t) = exp {j (2 n f0t+ π μ t2)}, 0 ≤ t ≤ T 其中，fo為線性調(diào)頻波的起始頻率，μ = Β/Τ為線性調(diào)頻波的調(diào)頻斜率，其中B為調(diào)頻帶寬，T為信號(hào)持續(xù)時(shí)間； 步驟B，N個(gè)接收陣元接收相應(yīng)的虛擬陣元回波信號(hào)，回波信號(hào)為: rl (m, n, t) = a mnSl (t_ Δ tmn)l≤n≤N 其中，amn為回波信號(hào)衰減系數(shù)，m、n分別表示第m個(gè)發(fā)射陣元和第n個(gè)接收陣元，Atmn為發(fā)射信號(hào)從第m個(gè)發(fā)射陣元到目標(biāo)，再由目標(biāo)到第η個(gè)接收陣元的傳播時(shí)間； 步驟C，對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，獲取回波數(shù)據(jù)矩陣: 步驟C-1，將每個(gè)回波信號(hào)對(duì)應(yīng)虛擬陣元重組成MXN個(gè)獨(dú)立通道的回波信號(hào)； 步驟C-2，利用回波數(shù)據(jù)矩陣中rl (2，I, t)和rl (3，4，t)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波處理得到相應(yīng)的渡越時(shí)間ΛΤ1和ΛΤ2 ; 步驟C-3，通過(guò)計(jì)算公式(Λ Tl+Λ T2) c/2初步估計(jì)出起伏界面的距離； 步驟C-4，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)求和波束形成處理:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于起伏界面的MIMO稀疏陣列的超聲測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟C-3之后還包括自適應(yīng)焦點(diǎn)設(shè)定步驟: 由初步估計(jì)的起伏界面的距離和方位角確定每個(gè)掃描方向的波束形成的焦點(diǎn)位置。
3.第二種用于起伏界面的MIMO稀疏陣列的超聲測(cè)量方法，其特征在于，采用MIMO稀疏陣元陣列，由M個(gè)發(fā)射陣元和N個(gè)接收陣元等效成MXN個(gè)均勻排布的虛擬陣元；包括如下步驟:步驟A，M個(gè)發(fā)射陣元同時(shí)發(fā)射不同的平衡Gold偽隨機(jī)碼調(diào)制的線性調(diào)頻波，發(fā)射信號(hào)為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于起伏界面的MIMO稀疏陣列的超聲測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟C-2之后還包括自適應(yīng)焦點(diǎn)設(shè)定步驟: 由初步估計(jì)的起伏界面的距離和方位角確定每個(gè)掃描方向的波束形成的焦點(diǎn)位置。
5.一種用于起伏界面的MIMO稀疏陣列的超聲測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:包括超聲陣列和信號(hào)發(fā)射及處理模型， 所述超聲陣列由M個(gè)發(fā)射陣元和N個(gè)接收陣元等效成MXN個(gè)均勻排布的虛擬陣元；所述信號(hào)發(fā)射及處理模型包括分時(shí)發(fā)射模型和同時(shí)發(fā)射模型，所述分時(shí)發(fā)射模型包括分時(shí)發(fā)射單元、波束形成單元、去斜處理單元、FFT變換單元； 所述分時(shí)發(fā)射單元中M 個(gè)發(fā)射陣元分時(shí)發(fā)射線性調(diào)頻波，通過(guò)信號(hào)的分時(shí)發(fā)射實(shí)現(xiàn)虛擬陣元回波信號(hào)的通道分離，N個(gè)接收陣元接收相應(yīng)的虛擬陣元回波信號(hào)； 所述波束形成單元用于在所有回波信號(hào)接收結(jié)束后，將每個(gè)回波信號(hào)對(duì)應(yīng)虛擬陣元重組成MXN個(gè)獨(dú)立通道的回波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行波束形成處理； 所述去斜處理單元用于對(duì)合成信號(hào)進(jìn)行去斜處理； 所述FFT變換單元用于對(duì)去斜處理后的信號(hào)進(jìn)行FFT處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離信息； 所述同時(shí)發(fā)射模型包括同時(shí)發(fā)射單元、通道分離單元、波束形成單元； 所述同時(shí)發(fā)射單元中M個(gè)發(fā)射陣元同時(shí)發(fā)射不同的平衡Gold偽隨機(jī)碼調(diào)制的線性調(diào)頻波，N個(gè)接收陣元同時(shí)接收； 所述通道分離單元用于對(duì)每個(gè)接收陣元接收的回波信號(hào)分別與M個(gè)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)通道分離，得到MXN個(gè)獨(dú)立通道的信號(hào)， 所述波束形成單元用于對(duì)上述分離得到的信號(hào)進(jìn)行波束形成處理，得到相應(yīng)的距離信肩、O
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于起伏界面的MIMO稀疏陣列的超聲測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述分時(shí)發(fā)射模型和同時(shí)發(fā)射模型中，波束形成單元在對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束形成處理時(shí)，采用自適應(yīng)焦點(diǎn)設(shè)定方法。
【文檔編號(hào)】G01S15/06GK103995262SQ201410198534
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】李鵬, 尹杰, 王銀娟, 蔡玉雷 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)