用于起伏界面的mimo稀疏陣列的超聲測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于MIMO稀疏陣元的編碼信號發(fā)射的兩種超聲測量方法及系統(tǒng)，屬于超聲測量【技術(shù)領(lǐng)域】，用于測量類似波動液位、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量的準確性。本發(fā)明利用稀疏陣列對起伏界面從不同角度進行超聲測量，采用了兩種發(fā)射信號模式：分時發(fā)射模式和同時發(fā)射模式。這兩種發(fā)射模式都由稀疏陣列發(fā)射信號，實現(xiàn)信號的通道分離后，進行波束形成處理。本發(fā)明能夠有效的區(qū)分不同虛擬陣元的回波信號，有利于進行波束形成處理，提高起伏界面距離測量的準確度，另外，采用同時發(fā)射信號模式可以應(yīng)用到起伏界面快速變化的測量中，避免由起伏界面的快速變化而產(chǎn)生距離模糊，從而提高測量的準確性。
【專利說明】用于起伏界面的MIMO稀疏陣列的超聲測量方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超聲測量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及兩種用于測量波動液位、積雪深度等起伏界面的MMO稀疏陣列的超聲測量方法及能夠?qū)崿F(xiàn)這些方法的測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲測量是一種高性價比的測量方法，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量實現(xiàn)降雨量和蒸發(fā)量的測量，借助超聲距離測量實現(xiàn)積雪深度的測量。然而，在用超聲測量方法獲取這些氣象要素的同時，由于液位的波動或界面的起伏，傳統(tǒng)的點超聲測量方 法很可能產(chǎn)生較大的測量誤差。
[0003]為了減少在這些應(yīng)用中的測量誤差，一個簡單的辦法是用空間采樣，然后進行空間采樣平均。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。超聲測量方法在渡越時間(TOF)估計、發(fā)射信號、回波信號處理等方面被加以研究，并取得一定的進展。在TOF估計方面,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》，利用無損卡爾曼濾波處理超聲回波信號，得到回波信號的包絡(luò)線，同離散擴展卡爾曼濾波相比，TOF估計精度得到提高的同時減少了計算量；在發(fā)射信號方面，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)頻信號的智能超聲液位儀》，將線性調(diào)頻波應(yīng)用到超聲液位測量中，并結(jié)合匹配濾波技術(shù)提高液位測量的準確性；在回波信號處理方面，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測量精度的探討》，利用數(shù)字采樣技術(shù)補償超聲波的回波前沿，提高降雨量測量的準確性。然而，以上方法主要由一個或兩個超聲換能器組成，為單通道探測系統(tǒng)，這些傳統(tǒng)方法僅估計整個液位的一個定點的距離值，對于起伏界面的距離測量，以上方法都容易產(chǎn)生較大的測量誤差，目前，尚缺乏一種更為精確的針對起伏界面的超聲測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明公開了兩種基于MMO稀疏陣元的編碼信號發(fā)射的超聲測量方法及能夠?qū)崿F(xiàn)這些方法的超聲測量系統(tǒng)，用于測量類似波動液位、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量的準確性。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0006]一種用于起伏界面的MMO稀疏陣列的超聲測量方法，采用MMO稀疏陣元陣列，由M個發(fā)射陣元和N個接收陣元等效成MXN個均勻排布的虛擬陣元；包括如下步驟:
[0007]步驟A，采用M個發(fā)射陣元分時發(fā)射相同的線性調(diào)頻波，發(fā)射信號為:
[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為信號持續(xù)時間；[0010]步驟B，N個接收陣元接收相應(yīng)的虛擬陣元回波信號，回波信號為:
[0011]rl (m, n, t) = a ^Sl (t_ Δ tmn)l≤n≤N
[0012]其中，α ?為回波信號衰減系數(shù)，m、n分別表示第m個發(fā)射陣元和第η個接收陣元，Δ 為發(fā)射信號從第m個發(fā)射陣元到目標，再由目標到第η個接收陣元的傳播時間；
[0013]步驟C，對信號進行波束形成處理，獲取回波數(shù)據(jù)矩陣:
[0014]步驟C-1，將每個回波信號對應(yīng)虛擬陣元重組成MXN個獨立通道的回波信號；
[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)進行匹配濾波處理得到相應(yīng)的渡越時間ΛΤ1和ΛΤ2 ;
[0016]步驟C-3，通過計算公式(Λ Tl+Λ T2) c/2初步估計出起伏界面的距離；
[0017]步驟C-4，對回波信號進行延時求和波束形成處理:
[0018]
【權(quán)利要求】
1.一種用于起伏界面的MMO稀疏陣列的超聲測量方法，其特征在于，采用MMO稀疏陣元陣列，由M個發(fā)射陣元和N個接收陣元等效成MXN個均勻排布的虛擬陣元；包括如下步驟: 步驟A，采用M個發(fā)射陣元分時發(fā)射相同的線性調(diào)頻波，發(fā)射信號為:
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為信號持續(xù)時間； 步驟B，N個接收陣元接收相應(yīng)的虛擬陣元回波信號，回波信號為: rl (m, n, t) = a mnSl (t_ Δ tmn)l≤n≤N 其中，amn為回波信號衰減系數(shù)，m、n分別表示第m個發(fā)射陣元和第n個接收陣元，Atmn為發(fā)射信號從第m個發(fā)射陣元到目標，再由目標到第η個接收陣元的傳播時間； 步驟C，對信號進行波束形成處理，獲取回波數(shù)據(jù)矩陣: 步驟C-1，將每個回波信號對應(yīng)虛擬陣元重組成MXN個獨立通道的回波信號； 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)進行匹配濾波處理得到相應(yīng)的渡越時間ΛΤ1和ΛΤ2 ; 步驟C-3，通過計算公式(Λ Tl+Λ T2) c/2初步估計出起伏界面的距離； 步驟C-4，對回波信號進行延時求和波束形成處理:
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)焦點設(shè)定步驟: 由初步估計的起伏界面的距離和方位角確定每個掃描方向的波束形成的焦點位置。
3.第二種用于起伏界面的MIMO稀疏陣列的超聲測量方法，其特征在于，采用MIMO稀疏陣元陣列，由M個發(fā)射陣元和N個接收陣元等效成MXN個均勻排布的虛擬陣元；包括如下步驟:步驟A，M個發(fā)射陣元同時發(fā)射不同的平衡Gold偽隨機碼調(diào)制的線性調(diào)頻波，發(fā)射信號為:
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)焦點設(shè)定步驟: 由初步估計的起伏界面的距離和方位角確定每個掃描方向的波束形成的焦點位置。
5.一種用于起伏界面的MIMO稀疏陣列的超聲測量系統(tǒng)，其特征在于:包括超聲陣列和信號發(fā)射及處理模型， 所述超聲陣列由M個發(fā)射陣元和N個接收陣元等效成MXN個均勻排布的虛擬陣元；所述信號發(fā)射及處理模型包括分時發(fā)射模型和同時發(fā)射模型，所述分時發(fā)射模型包括分時發(fā)射單元、波束形成單元、去斜處理單元、FFT變換單元； 所述分時發(fā)射單元中M 個發(fā)射陣元分時發(fā)射線性調(diào)頻波，通過信號的分時發(fā)射實現(xiàn)虛擬陣元回波信號的通道分離，N個接收陣元接收相應(yīng)的虛擬陣元回波信號； 所述波束形成單元用于在所有回波信號接收結(jié)束后，將每個回波信號對應(yīng)虛擬陣元重組成MXN個獨立通道的回波信號，對其進行波束形成處理； 所述去斜處理單元用于對合成信號進行去斜處理； 所述FFT變換單元用于對去斜處理后的信號進行FFT處理，計算得到相應(yīng)的距離信息； 所述同時發(fā)射模型包括同時發(fā)射單元、通道分離單元、波束形成單元； 所述同時發(fā)射單元中M個發(fā)射陣元同時發(fā)射不同的平衡Gold偽隨機碼調(diào)制的線性調(diào)頻波，N個接收陣元同時接收； 所述通道分離單元用于對每個接收陣元接收的回波信號分別與M個發(fā)射信號進行相關(guān)運算實現(xiàn)通道分離，得到MXN個獨立通道的信號， 所述波束形成單元用于對上述分離得到的信號進行波束形成處理，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稀疏陣列的超聲測量系統(tǒng)，其特征在于:所述分時發(fā)射模型和同時發(fā)射模型中，波束形成單元在對信號進行波束形成處理時，采用自適應(yīng)焦點設(shè)定方法。
【文檔編號】G01S15/06GK103995262SQ201410198534
【公開日】2014年8月20日 申請日期: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 申請人:南京信息工程大學(xué)