專利名稱：一種基于線性調(diào)頻信號的空間介質(zhì)流速測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及線性調(diào)頻測量技術(shù)，具體涉及一種利用線性調(diào)頻(LFM)技術(shù)構(gòu)造測量信號，通過發(fā)射及接收線性調(diào)頻(LFM)信號來進(jìn)行指定區(qū)域內(nèi)的三維介質(zhì)流速的測量
>j-U ρ α裝直。
背景技術(shù)：
科技的日益發(fā)展，行業(yè)需求日益增加，介質(zhì)流速的測量越來越成為人們關(guān)注的熱點。隨著近代流體力學(xué)和空氣動力學(xué)的發(fā)展，特別是對多種復(fù)雜流動現(xiàn)象(包括紊流的形成、漩渦、激波干擾等)深入研究的需要，精確地測量和顯示這些復(fù)雜流動現(xiàn)象就顯得十分重要與迫切。這些復(fù)雜的流動現(xiàn)象一般是三維的、非周期性的，并具有異常復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和非定常特性，對干擾極為敏感。受其影響，三維介質(zhì)流速的測量要求高，難度大。往往需要進(jìn)行非接觸測量以及使用高精度的顯示技術(shù)才能獲得精確的測量結(jié)果。另外，由于近年來對海洋資源的開發(fā)越來越成熟，針對地球上海洋面積為陸地面積兩倍多的客觀情況，水下測量技術(shù)日益增多，如船艦導(dǎo)航，潛艇追蹤，魚雷制導(dǎo)等等。但水下壓力、介質(zhì)以及環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致水下速度測量難以方便進(jìn)行，可以水陸兩用的介質(zhì)流速測量方法更是少之又少，因此對研究適用的流體測速方法尤為迫切。目前比較常用的介質(zhì)流速測量方法主要有:空氣動力測速法、熱線測速法和激光測速法等?？諝鈩恿y速法主要用來測量二元流的速度和方向，使用不轉(zhuǎn)動風(fēng)速管進(jìn)行測量，對氣流的變化特別敏感。熱線測速法可以使用熱線或熱膜進(jìn)行測量，但熱線穩(wěn)定性差，只能用于氣體，熱膜可以適應(yīng)于氣體和液體，但造價高昂。激光測速技術(shù)則利用激光中的微粒感知來測量介質(zhì)流速，但設(shè)備較為復(fù)雜，若在水下環(huán)境，光的傳播衰減大，該方法難以在水中實現(xiàn)。線性調(diào)頻信號是應(yīng)用極為廣泛的一種信號體制，輸入信號的頻率隨時間成線性變化，其多普勒影響較小，具有很遠(yuǎn)的作用距離和高的距離分辨率。由于線性調(diào)頻信號在空氣以及水中的衰減相對都較小，因此可以利用線性調(diào)頻信號對介質(zhì)流速進(jìn)行測量。目前一些測量方法主要是針對管道流體介質(zhì)，利用超聲傳感器陣列，使用自適應(yīng)的波束算法來測量速度(CN200480006749.9);或根據(jù)流體介質(zhì)的流動特征，分割流體路徑然后各自構(gòu)建函數(shù)對速度進(jìn)行測量(CN200510059972.9)。這些方法會使整個測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，而且測量方向單一，計算量大，不能很好地解決問題。本實用新型基于線性調(diào)頻的三維介質(zhì)流速測量方法與裝置，不僅可以測量三維空間上各個方向的速度，而且設(shè)計簡單，抗干擾能力強，所需的運算量很小，能夠利用簡單的設(shè)備精確測量出介質(zhì)流速。另外，本實用新型提出的測量方法也適用于水下環(huán)境。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，簡化目前介質(zhì)流速測量方法的復(fù)雜性，解決難以適應(yīng)水下環(huán)境的問題，提供一種基于線性調(diào)頻信號的空間介質(zhì)流速測量裝置。該裝置利用線性調(diào)頻信 號構(gòu)建測量信號，通過換能器變換及收發(fā)，計算出傳播時間，從而推導(dǎo)介質(zhì)流動速度。本實用新型的測量信號容易產(chǎn)生和收發(fā)，并且測量精度高，抗干擾能力強，可通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)?；诰€性調(diào)頻信號的空間介質(zhì)流速測量裝置，其包括操作模塊、處理模塊、輸出顯示模塊、發(fā)射模塊和接收模塊；所述操作模塊與處理模塊和輸出顯示模塊連接，主要用于人機交互，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同而選擇發(fā)送信號的中心頻率、調(diào)頻斜率和信號時間長度參數(shù)，并調(diào)節(jié)發(fā)射模塊發(fā)送信號的次數(shù)和接收模塊的頻率范圍；所述處理模塊分別與操作模塊、輸出顯示模塊、發(fā)射模塊及接收模塊相連，處理模塊主要包括數(shù)字信號處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；處理模塊根據(jù)操作模塊輸入的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過發(fā)射模塊發(fā)出和接收模塊接收測量線性調(diào)頻信號的波形和數(shù)據(jù)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器中獲取接收信號的數(shù)據(jù)，對接收信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得出介質(zhì)流速的測量結(jié)果，并將結(jié)果傳輸?shù)捷敵鲲@示模塊，其中數(shù)字信號處理器根據(jù)操作模塊的指令產(chǎn)生不同的線性調(diào)頻信號傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字信號處理器和接收模塊的連接橋梁，數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字信號處理器和發(fā)射模塊的連接橋梁，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字處理器產(chǎn)生的信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后給發(fā)射模塊發(fā)送，模數(shù)轉(zhuǎn)換器從接收模塊接收信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換傳后給數(shù)字信號處理器處理。進(jìn)一步的，所述接收模塊包括接收換能器，所述發(fā)射模塊包括發(fā)送換能器，發(fā)送換能器負(fù)責(zé)從處理模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器獲取發(fā)射信號發(fā)射，接收換能器將接收信號傳送給處理模塊中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。進(jìn)一步的，還包括測量架，測量架為空心的非封閉正方體硬質(zhì)架，硬質(zhì)架任意相對的兩個面中，均有一個面布置有發(fā)送換能器，另一個面布置有接收換能器。進(jìn)一步的，所述輸出顯示模塊包括電腦顯示屏和輸出接口，電腦顯示屏作為直接的顯示和監(jiān)測工具，為操作者提供實時的指令執(zhí)行情況、各個過程的數(shù)字信號處理情況以及測量結(jié)果；輸出接口 用于將測量結(jié)果輸出到其他外接設(shè)備或系統(tǒng)。上述實用新型通過采用發(fā)送已知線性調(diào)頻信號，對接收到的線性調(diào)頻信號參數(shù)進(jìn)行檢測，從而確定信號在介質(zhì)中傳播時間的方法，精確測量出介質(zhì)流速經(jīng)過規(guī)定路徑的時間，然后通過速度時間的物理方法精確求解出介質(zhì)流動速度，實現(xiàn)了介質(zhì)流速在三維空間內(nèi)的速度測量。上述裝置的主要工作流程如下:操作者通過操縱模塊輸入對應(yīng)的參數(shù)，處理模塊根據(jù)輸入的參數(shù)信息產(chǎn)生各個線性調(diào)頻信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成發(fā)射信號，傳送收發(fā)模塊中的分頻器，根據(jù)線性調(diào)頻信號的不同頻率傳送給各個發(fā)射換能器發(fā)射。接著各個接收換能器接收到對應(yīng)的接收測量信號，傳送給處理模塊。處理模塊中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳給數(shù)字信號處理器。數(shù)字信號處理器將各個接收換能器的接收信號進(jìn)行參數(shù)估計，濾除噪聲信號，再進(jìn)行數(shù)據(jù)換算，對介質(zhì)流速進(jìn)行測量。最后將測量出來的介質(zhì)流動速度值傳送給輸出顯示模塊顯示并輸出結(jié)果。上述基于線性調(diào)頻信號的空間介質(zhì)流速測量裝置的測量方法包括如下步驟:第一，在流體介質(zhì)中一確定方向(如水平方向)上發(fā)送一個線性調(diào)頻信號，并預(yù)先設(shè)定該線性調(diào)頻信號的各個參數(shù)；第二，在與所述確定方向同一方向上，從設(shè)定空間內(nèi)接收所發(fā)射的線性調(diào)頻信號；第三，測得初始多普勒頻移值，將接收到的線性調(diào)頻信號與考慮了多普勒頻移的初始信號的共軛進(jìn)行乘積，通過數(shù)字信號處理方法及運算得出信號從發(fā)射到接收的時間值；第四，利用求得的時間值與流體介質(zhì)沒有流動時的理論時間值進(jìn)行比較，即能精確計算出所述方向上的介質(zhì)流動速度；通過任改變第一步驟中的方向，能得到流體介質(zhì)在相應(yīng)方向上的流動速度。進(jìn)一步的，對于三維流體介質(zhì)，在三維空間內(nèi)構(gòu)建一個直角坐標(biāo)系，則空間內(nèi)任意方向上的介質(zhì)流動速度，通過所述第一至第四步驟得到三個直角坐標(biāo)軸方向上的分速度，然后利用速度矢量的幾何計算，得到任意方向上的三維介質(zhì)流速。進(jìn)一步的，在流體介質(zhì)的一維流動方向上，設(shè)置相隔距離為L的一個發(fā)射模塊和一個接收模塊，分別用于線性調(diào)頻信號的發(fā)送和接收；由于線性調(diào)頻信號以聲音形式傳播，故在靜止介質(zhì)中的傳播速度為固定值Vp若介質(zhì)靜止，發(fā)收端線性調(diào)頻信號的傳播時間為:
權(quán)利要求1.基于線性調(diào)頻信號的空間介質(zhì)流速測量裝置，其特征在于包括操作模塊、處理模塊、輸出顯示模塊、發(fā)射模塊和接收模塊； 所述操作模塊與處理模塊和輸出顯示模塊連接，主要用于人機交互，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同而選擇發(fā)送信號的中心頻率、調(diào)頻斜率和信號時間長度參數(shù)，并調(diào)節(jié)發(fā)射模塊發(fā)送信號的次數(shù)和接收模塊的頻率范圍； 所述處理模塊分別與操作模塊、輸出顯示模塊、發(fā)射模塊及接收模塊相連，處理模塊主要包括數(shù)字信號處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字信號處理器和接收模塊的連接橋梁，數(shù)模轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字信號處理器和發(fā)射模塊的連接橋梁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線性調(diào)頻信號的空間介質(zhì)流速測量裝置，其特征在于所述接收模塊包括接收換能器，所述發(fā)射模塊包括發(fā)送換能器，發(fā)送換能器負(fù)責(zé)從處理模塊中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器獲取發(fā)射信號發(fā)射，接收換能器將接收信號傳送給處理模塊中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于線性調(diào)頻信號的空間介質(zhì)流速測量裝置，其特征在于還包括測量架，測量架為空心的非封閉正方體硬質(zhì)架，硬質(zhì)架任意相對的兩個面中，均有一個面布置有發(fā)送換能器，另一個面布置有接收換能器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于線性調(diào)頻信號的空間介質(zhì)流速測量裝置，其特征在于所述輸出顯示模塊包括電腦顯示屏和輸出接口，電腦顯示屏作為直接的顯示和監(jiān)測工具，為操作者提供實時的指令執(zhí)行情況、各個過程的數(shù)字信號處理情況以及測量結(jié)果；輸出接口用于將測量結(jié)果輸 出到其他外接設(shè)備或系統(tǒng)。
專利摘要本實用新型公開了一種基于線性調(diào)頻信號的空間介質(zhì)流速測量裝置，所述裝置包括操作模塊、處理模塊、輸出顯示模塊、發(fā)射模塊和接收模塊；所述處理模塊分別與操作模塊、輸出顯示模塊、發(fā)射模塊及接收模塊相連。本實用新型測量精度高，抗干擾能力強，運算量低，裝置結(jié)構(gòu)簡單易用，成本低廉。
文檔編號G01P5/22GK203117221SQ20122062969
公開日2013年8月7日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者寧更新, 李鑒通, 韋崗, 季飛 申請人:華南理工大學(xué)