一种基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法

1.本发明主要涉及流体流速测量技术领域，特指一种基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法。


背景技术：

2.在流体流速测量领域，测量方法基本可分为直接测量与间接测量两种方式：间接测量基本上应用于可测量容器容积的条件下经过高度压力换算方法间接推算出瞬时流速。而直接测量方式又可分为接触式测量与非接触式测量两种测量方法，接触式检测设备以经典流速流量仪为代表，通过将流速检测装置置入待测流体中，通过流体的运动带动检测装置发生运动，再由传感器检测装置变化进而获取流速值，接触式方法具有检测精度高、响应时间短、使用寿命长等特点，但其在测量具有杂质、高温、高腐蚀性的流体时，会因检测装置物理结构发生变化而导致使用寿命大幅降低，不适用于特种环境的流体流速检测；非接触式测速方法是一种以视觉特征检测与分析为基础的流体流速测量方法，其具有使用寿命长、抗环境干扰能力强等优点，但是相较于流速流量仪具有响应时间相对较长、检测精度达不到接触式检测设备的水平的缺陷，只适用于特种环境、响应时间相对较低的条件下。近年来，随着通讯领域在太赫兹(thz)波段方面的研究不断加深，一些研究发现，太赫兹信号在不同流速的流体处产生的回波信号具有一定的变化规律，故可借助太赫兹信号被不同流速的流体吸收的能量具有差异的特点，将太赫兹信号应用于流速检测领域。
3.thz(太赫兹，terahertz)通常是指频率在0.1
‑
10thz范围内的电磁辐射，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。由于太赫兹波具有许多独特的性质，例如高透性、低能性、指纹频谱等，这些特性赋予了太赫兹波具有重大的研究价值。由于太赫兹波对于流体的穿透能力低、部分能量被流体吸收、流体流速变化时吸收的能量具有一定规律，使得利用太赫兹波的特性来设计与研发具有实用价值的太赫兹回波流速测量仪称为可能。
4.专利公开号cn211955537u发明专利是一种液体流速测量设备，其由包括插杆、设置在插杆底端的尖锥、设置在插杆上的安装框、设置在安装框内的流速传感器、设置在插杆上端并与流速传感器的信号输出端连接的流速测算仪以及设置在插杆上的电源组成，通过流体流经流速测算仪形成流速冲击，根据由冲击产生的电信号测算获得实时流速值，该发明专利在基本的流速测量仪的检测基础上提高了测量精度，并解决了现有技术中的河渠水流流速测量仪在使用时，河水中的杂物易缠绕在流速传感器上的问题，在具有杂物易干扰的环境中具有较强的适应性，然而该设备只能检测无腐蚀性、常温流体的检测，是一种接触式测量设备，无法满足具有一定腐蚀性、高温流体如高温铁水、高温铜水的检测需求。
5.专利公开号cn101576567发明专利是一种高温熔体流速测量方法，主要测量的是一种火法冶炼过程中高温熔体，其测量过程是先将阻流件放入待测高温流体区域，根据阻流件所受的作用力经刚性传递件传递至数模转换器，并获取信号作为检测的流体流速，其具有劳动强度小、可即时测量流速值、测量精度高等特点，但因其属于接触式测量，高温流体接触测速设备时容易将其损坏而无法正常使用，使用寿命较低，且安装设备时容易造成
高温熔体溅出，有一定的安全隐患。


技术实现要素：

6.本发明提供的基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法，解决了现有非接触式流体流速测量方法在复杂恶劣环境下精度低的技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提出的基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法包括：
8.生成源信号与参考信号；
9.检测源信号经流体反射的太赫兹回波；
10.根据太赫兹回波和参考信号，获取时域谱亮度偏差值；
11.根据不同的流速对应的时域谱亮度偏差值不同，建立时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型；
12.根据时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型和待测流体对应的时域谱亮度偏差值，获得流体流速。
13.进一步地，生成源信号与参考信号之前还包括：
14.对采用基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法的流体流速检测装置进行定位，使流体流速检测装置正对目标流体。
15.进一步地，对采用基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法的流体流速检测装置进行定位，使流体流速检测装置正对目标流体包括：
16.对采用基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法的流体流速检测装置中相机采集的流体图像进行图像处理，获得流体边缘图像；
17.使用重心法计算流体边缘图像的重心；
18.将流体边缘图像的重心与相机图像的重心作差，获取图像偏差矢量；
19.根据图像偏差矢量，采用pid控制算法控制伺服云台，使得流体流速检测装置正对目标流体。
20.进一步地，将流体边缘图像的重心与相机图像的重心作差，获取图像偏差矢量的计算公式具体为：
21.p
diff
＝p
x,y
‑
p
图
，
22.其中，p
diff
代表图像偏差矢量，p
x,y
代表流体边缘图像的重心，p
图
代表相机图像的重心，且p表示流体边缘像素点，n表示流体边缘图像区域内的像素个数，a表示原始图像，s表示原图像像素点集。
23.进一步地，对采用基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法的流体流速检测装置中相机采集的流体图像进行图像处理，获得流体边缘图像包括：
24.获取采用基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法的流体流速检测装置中相机采集的流体图像；
25.采用灰度化算法对流体图像进行图像处理，获取流体灰度图像，且灰度化算法采用的计算公式具体为：
26.g(x,y)＝0.299*r(x,y)+0.578*g(x,y)+0.114*b(x,y)，
27.其中，g(x,y)为流体灰度图像的灰度值，r(x,y)、g(x,y)和b(x,y)分别代表流体图像的r通道、g通道和b通道的颜色值；
28.采用sobel算子，提取流体灰度图像的流体边缘图像。
29.进一步地，根据太赫兹回波和参考信号，获取时域谱亮度偏差值包括：
30.对太赫兹回波进行放大，并根据放大后的太赫兹回波，获得太赫兹回波的时域谱亮度；
31.根据参考信号，获得参考信号时域谱亮度；
32.根据太赫兹回波的时域谱亮度与参考信号时域谱亮度的偏差，获取时域谱亮度偏差值。
33.进一步地，根据不同的流速对应的时域谱亮度偏差值不同，建立时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型包括：
34.采用akima样条插值法，对输入数据和输出数据进行拟合，从而建立时域谱亮度偏差
‑ꢀ
流速关系模型，其中输入数据为标定的回波的时域谱亮度偏差值，输出数据为与时域谱亮度偏差值对应的目标流体的流速值。
35.进一步地，采用akima样条插值法获取输出值的计算公式为：
36.ζ(x)＝p0+p1(x
‑
x
k
)+p2(x
‑
x
k
)2+p3(x
‑
x
k
)337.其中x
k
<x<x
k+1
，k∈(1,2,
…
,n)，且
[0038][0039]
其中t
k
，t
k+1
分别为x
k
，x
k+1
处的斜率，即
[0040][0041]
进一步地，采用qcl发射源生成源信号与参考信号。
[0042]
进一步地，采用qwp回波探测器检测源信号经流体反射的太赫兹回波。
[0043]
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出的基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法,通过生成源信号与参考信号，检测源信号经流体反射的太赫兹回波，根据太赫兹回波和参考信号，获取时域谱亮度偏差值，根据不同的流速对应的时域谱亮度偏差值不同，建立时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型以及根据时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型和
待测流体对应的时域谱亮度偏差值，获得流体流速，解决了现有非接触式流体流速装置在复杂恶劣环境下对流体流速检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测流体流速进行精确测量，同时具有非接触的特点，这对于流体在复杂环境内的流速测量具有重要意义。
[0044]
本发明的目的在于提供了一种基于流形伺服定位的太赫兹回波流速测量方法，使用根据流形检测与判断的云台伺服系统定位方法定位太赫兹检测设备，借助太赫兹回波流速测量模块获取实时流速测量值的方法。
[0045]
本发明的目的在于提供了一种太赫兹回波定位方法，通过提取实时流体流形边缘序列、计算图像偏差矢量、伺服控制云台偏移等方法，将太赫兹回波流速测量检测设备定位至目标流体处。
[0046]
本发明的目的在于提供了一种太赫兹回波流速测量方法，借助太赫兹回波采集模块获取时域谱亮度偏差值，并根据标定的时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型获取实时流速值。
附图说明
[0047]
图1为本发明实施例三的基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法的结构框图；
[0048]
图2为本发明实施例三的太赫兹回波定位模块流程图；
[0049]
图3为本发明实施例三的太赫兹回波定位模块伺服控制框图；
[0050]
图4为本发明实施例三的太赫兹回波采集单元框图；
[0051]
图5为本发明实施例三的太赫兹流速实时计算单元框图。
具体实施方式
[0052]
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
[0053]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0054]
实施例一
[0055]
本发明实施例一提供的基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法包括：
[0056]
步骤s101，生成源信号与参考信号；
[0057]
步骤s102，检测源信号经流体反射的太赫兹回波；
[0058]
步骤s103，根据太赫兹回波和参考信号，获取时域谱亮度偏差值；
[0059]
步骤s104，根据不同的流速对应的时域谱亮度偏差值不同，建立时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型；
[0060]
步骤s105，根据时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型和待测流体对应的时域谱亮度偏差值，获得流体流速。
[0061]
本发明实施例提供的基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法，通过生成源信号与参考信号，检测源信号经流体反射的太赫兹回波，根据太赫兹回波和参考信号，获取时域谱亮度偏差值，根据不同的流速对应的时域谱亮度偏差值不同，建立时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型以及根据时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型和待测流体对应的时域谱亮度偏差
值，获得流体流速，解决了现有非接触式流体流速装置在复杂恶劣环境下对流体流速检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测流体流速进行精确测量，同时具有非接触的特点，这对于流体在复杂环境内的流速测量具有重要意义。
[0062]
实施例二
[0063]
本发明实施例提供的基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法包括：
[0064]
步骤s201，对采用基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法的流体流速检测装置进行定位，使流体流速检测装置正对目标流体。
[0065]
步骤s202，采用qcl发射源生成源信号与参考信号。
[0066]
步骤s203，采用qwp回波探测器检测所述源信号经流体反射的太赫兹回波。
[0067]
步骤s204，对太赫兹回波进行放大，并根据放大后的太赫兹回波，获得太赫兹回波的时域谱亮度。
[0068]
步骤s205，根据参考信号，获得参考信号时域谱亮度。
[0069]
步骤s206，根据太赫兹回波的时域谱亮度与参考信号时域谱亮度的偏差，获取时域谱亮度偏差值。
[0070]
步骤s207，根据不同的流速对应的时域谱亮度偏差值不同，建立时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型，并根据时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型和待测流体对应的时域谱亮度偏差值，获得流体流速。
[0071]
本发明提出的基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法,通过生成源信号与参考信号，检测源信号经流体反射的太赫兹回波，根据太赫兹回波和参考信号，获取时域谱亮度偏差值，根据不同的流速对应的时域谱亮度偏差值不同，建立时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型以及根据时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型和待测流体对应的时域谱亮度偏差值，获得流体流速，解决了现有非接触式流体流速装置在复杂恶劣环境下对流体流速检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测流体流速进行精确测量，同时具有非接触的特点，这对于流体在复杂环境内的流速测量具有重要意义。
[0072]
此外，本发明实施例提供的基于流形伺服定位的太赫兹回波流速测量方法，使用根据流形检测与判断的云台伺服系统定位方法定位太赫兹检测设备，借助太赫兹回波流速测量模块获取实时流速测量值的方法。且本发明实施例提供的太赫兹回波定位方法，通过提取实时流体流形边缘序列、计算图像偏差矢量、伺服控制云台偏移等方法，将太赫兹回波流速测量检测设备定位至目标流体处。进一步地，本发明实施例借助太赫兹回波采集模块获取时域谱亮度偏差值，并根据标定的时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型获取实时流速值，从而实现被测流体流速的精确测量。
[0073]
实施例三
[0074]
参照图1，本发明提供的基于流形伺服定位的太赫兹回波流速测量方法，其由太赫兹回波定位模块与太赫兹回波流速测量模块两个主要模块组成：
[0075]
太赫兹回波定位模块由流形检测、相机定位和云台伺服构成，其工作流程为首先根据相机获取的流体图像，在流形检测中将图像灰度化，使用sobel算子提取灰度图像边缘序列，提取后的边缘序列作为相机定位的输入，并使用重心法计算灰度边缘图像的重心，之
后与相机图像重心作差后获取图像偏差矢量，以作为云台伺服的误差输入信号，使用pid控制器计算控制矢量u并输入至云台伺服系统，产生偏移后重新计算图像重心，直至图像偏差矢量e 满足设置要求，此时太赫兹回波流速检测设备正对目标流体；
[0076]
太赫兹回波流速测量模块由太赫兹回波采集与流速实时计算两部分构成，其工作流程为已定位的太赫兹回波流速检测设备根据太赫兹回波采集模块产生参考信号与源信号，qwp回波探测器获得源信号的回波信号，并经过锁相放大器计算获得太赫兹回波时域谱亮度值，再与参考信号亮度值作差后获得时域谱亮度偏差值，流速实时计算模块根据标定流速值、标定亮度偏差值建立时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型，并根据实时时域谱亮度偏差值计算实时流速值，完成整个工作流程。
[0077]
下面对其构成的主要单元逐一进行具体的说明：
[0078]
1、流形检测
[0079]
本单元是太赫兹回波定位模块的预处理单元，其在人工粗定位太赫兹回波流速检测设备之后，根据定位相机获取的图像进行预处理，如图2流形检测流程图所示，定位相机获取实时流体图像，使用灰度化算法获取流体灰度图像，图像灰度化算法采用如下公式进行计算：
[0080]
g(x,y)＝0.299*r(x,y)+0.578*g(x,y)+0.114*b(x,y)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0081]
以流体灰度图像作为sobel算子的边缘提取方法输入图像，处理得到流体流形图像， sobel算子是一种离散性差分算子，用来运算图像亮度函数的梯度之近似值，常用于图像边缘检测，其对于边缘质量好、边界线灰度差分大的图像检测效果较好，且能对噪声有一定的平滑抑制作用，适用于本实施例的流体对象。sobel边缘检测方法是通过如下方法将图像中每个像素的上下左右四领域的灰度值加权差，在边缘处达到极值从而实现检测流体边缘功能。
[0082][0083][0084][0085]
其中a为原始图像，g
x
与g
y
分别代表经横向及纵向边缘检测的图像，g为输出图像，即流体边缘图像，然后可根据如下公式计算梯度方向。
[0086][0087]
当获取的图像为全黑时，即相机未能有效定位至目标流体附近，需要人工重新定
位设备；当能正常获取到流体流形图像时，输出的流体边缘序列即为本单元输出信号。
[0088]
2、相机定位
[0089]
如图2相机定位单元流程可知，为了确保太赫兹回波流速检测设备顺利定位至目标流体处，需要检测出图像偏移量作为伺服修正的误差信号，本单元接收流形检测输出的流体边缘序列作为本单元输入，使用灰度重心法获得流体边缘图像的流形重心，重心法计算公式如下。
[0090][0091]
其中p
x,y
为流形重心，p为流体边缘像素点，i(x,y)为对应像素点(x,y)处的权重值，由于流体边缘图像为二值图像，故公式(6)可简化为如下。
[0092][0093]
其中n表示该区域像素个数。
[0094]
将相机图像重心固定为图像中心，即
[0095][0096]
因此将两者作差即可获得图像偏差信号p
diff
。
[0097]
p
diff
＝p
x,y
‑
p
图
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0098]
3、云台伺服
[0099]
本单元是太赫兹回波定位模块的伺服执行单元，执行流程如图2云台伺服单元流程图所示，首先需要采集获得相机定位单元中的计算输出(即图像偏差信号p
diff
)，作为本单元的偏差矢量e，并判断偏差矢量e是否满足预设的偏差要求，若满足要求则记录太赫兹回波定位模块各个参数，如云台偏向角、俯仰角、检测设备垂直高度与水平距离等参数；若不满足偏差要求，则将偏差矢量e作为控制器输入并计算控制矢量u，控制器采用经典pid控制器，控制律如下所示。
[0100]
u
x,y
＝k
p
e
x,y
+k
i
∫e
x,y
+k
d
δe
x,y
ꢀꢀꢀ
(10)
[0101]
控制器输出控制矢量u信号至伺服云台，云台根据控制矢量u产生偏移，获取偏移后的相机图像，再对相机进行流形检测与相机定位，再次获得图像偏差矢量e，并进行误差判断。图3伺服控制框图描述了整个伺服过程的控制流程。
[0102]
4、太赫兹回波采集
[0103]
参照图4，本单元是太赫兹回波流速测量模块中用于产生与检测太赫兹波，并获取回波能量损耗的主要单元，太赫兹回波采集流程如图1中太赫兹回波采集所示，为了产生稳定可测量的太赫兹波，需要经过如下关键步骤：
[0104]
1)qcl发射源生成源信号与参考信号：太赫兹量子级联激光器(qcl)是一种基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体激光器，其激射频率位于中远红外以及太赫兹波段，可产生太赫兹波源信号与参考信号，前者用于生成太可检测的太赫兹波，后者用于在分析与
提取太赫兹回波时域谱亮度偏差时的基准信号；
[0105]
2)qwp回波探测器检测太赫兹回波：太赫兹量子阱探测器(qwp)是一种基于半导体低维结构的光子型探测器，特别适合于太赫兹波段的高速探测与成像应用，其根据束缚电子吸收太赫兹光子发生子带跃迁、并在外加偏压下形成光电流，从而实现对太赫兹回波的探测；
[0106]
3)锁相放大器计算获得太赫兹回波时域谱亮度：经过源前置放大器进行放大后的信号与参考信号在锁相放大器处进行积分，可有效滤除信号中的高频信号，获得回波时域谱亮度；
[0107]
4)时域谱亮度偏差获取：将太赫兹回波时域谱亮度与参考信号亮度作差，得到时域谱亮度偏差值。
[0108]
经过太赫兹回波采集单元可检测出时域谱亮度偏差值，即为太赫兹在介质传播并反射时的能量损耗。
[0109]
5、流速实时计算
[0110]
由于不同流体吸收与反射太赫兹波能力有差异，并且太赫兹波段不同，吸收能量也不相同，因此在进行流速实时测量之前需要获得时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型。参照图5，本单元使用太赫兹回波采集单元在标准环境下测试获取不同级别的流速下太赫兹设备检测出的时域谱亮度偏差，分别作为模型的标定输出与标定输入数据进行拟合，本单元使用akima插值法获取时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型。
[0111]
使用akima插值法对标定的时域谱亮度偏差与标定流速进行数据内插，akima插值法是一种样条函数插值法，其规定了在两个实测点之间进行内插时，除了需要这两个已知点之外，还需要用这两个点相邻近的四个实测点上的观察值进行内插，akima样条插值法相较于只考虑两个已知点的线性内插法与低阶多项式内插精度低、高阶多项式内插易出现“龙格”现象的多项式内插法，既有运算简单、又能避免高阶数值不稳定的缺点，并且akima插值法所得到的插值曲线更加顺滑与自然。
[0112]
akima插值使用如下公式获取输出值：
[0113]
ζ(x)＝p0+p1(x
‑
x
k
)+p2(x
‑
x
k
)2+p3(x
‑
x
k
)3ꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0114]
其中x
k
<x<x
k+1
，k∈(1,2,
…
,n)，且：
[0115][0116]
上式中t
k
，t
k+1
分别为x
k
，x
k+1
处的斜率，即：
[0117][0118]
如此便可以根据该时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型实时计算流速值。
[0119]
通过以上五个单元的步骤计算，可实现基于太赫兹高速回波效应的任意流体流速测量方法，该方法的响应速度较快、示值稳定、自动化程度较高，能满足测量现场复杂的变化的流体环境。
[0120]
本发明实施例提供的基于太赫兹高速回波效应的流体流速测量方法，通过生成源信号与参考信号，检测源信号经流体反射的太赫兹回波，根据太赫兹回波和参考信号，获取时域谱亮度偏差值，根据不同的流速对应的时域谱亮度偏差值不同，建立时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型以及根据时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型和待测流体对应的时域谱亮度偏差值，获得流体流速，解决了现有非接触式流体流速装置在复杂恶劣环境下对流体流速检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测流体流速进行精确测量，同时具有非接触的特点，这对于流体在复杂环境内的流速测量具有重要意义。且本实施例通过采集的被测流体发射的太赫兹回波实现对被测流体的流速检测，能借助太赫兹的穿透特性减少环境中遮挡物对流速测量结果造成的误差，从而提高被测流体的流速检测精度。
[0121]
此外，本发明实施例提供的基于流形伺服定位的太赫兹回波流速测量方法，使用根据流形检测与判断的云台伺服系统定位方法定位太赫兹检测设备，借助太赫兹回波流速测量模块获取实时流速测量值的方法。且本发明实施例提供的太赫兹回波定位方法，通过提取实时流体流形边缘序列、计算图像偏差矢量、伺服控制云台偏移等方法，将太赫兹回波流速测量检测设备定位至目标流体处。进一步地，本发明实施例借助太赫兹回波采集模块获取时域谱亮度偏差值，并根据标定的时域谱亮度偏差
‑
流速关系模型获取实时流速值，从而实现被测流体流速的精确测量。
[0122]
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。