基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开的基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置，包括操作模块、处理模块、收发模块和输出模块，收发模块用于发送测量信号和接收反射、透射信号，阵列中的每个超声波转换器收发不同频率段的超声信号，并且各个频率段可以是连续的也可以是相隔一定频率的，阵列中超声波转换器的数目根据应用场景和测量的范围而定。本实用新型的测量装置，测量精度高、成本低廉、可行性强。
【专利说明】
基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及液体悬浮物浓度测量领域，特别涉及基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置。
【背景技术】
[0002]近年来，水体悬浮物超标问题日益加重，由于超标的悬浮物会严重危害生物体的健康与生态环境的发展，人们也更加重视水质的检测与评估，并提出了很多测量悬浮物浓度(以下简称SSC)的方法。目前测量SSC的常用方法有过滤重量法、声学法、光学法和遥感技术。
[0003]第一，过滤重量法通过采样、过滤、烘干、称重等过程测量SSC，测量准确，操作简单，但是采样条件和测定条件都会对测量结果的准确性产生影响，并且该方法只能获得在时间和空间上都很离散的少量点的数据，难以反映大范围水域水质的变化和分布情况。第二，声学法通过分析一定浓度下的声学后向散射强度来确定SSC，可以直观快速、大面积地对悬浮物进行测量。但是，该方法大部分采用单频信号或者窄脉冲信号，虽然窄脉冲信号有宽频特性但它并不容易产生，而且不是频谱等幅宽频信号；另外该方法即使采用宽频信号，使用的测量装置大多利用一个换能器，收发信号的带宽受到换能器限制。第三，光学法利用光的衰减和散射来测量SSC，但一般使用的光学仪器设备精细，成本高，同时光在水中的光学性质会随着水中SSC的变化而变化，因此也限制了光学法的应用。而且，所有的单频仪器(声学或光学)都有一个缺陷，即无法区分悬浮物线度和浓度的变化。第四，遥感技术通过卫星或航空遥感信息进行大面积范围内水质情况(包括悬浮物含量)的空间分布及动态的定量分析，具有宏观、大面积、周期性动态监测的特点。但是，卫星遥感的数据需要用现场数据进行验证，同时与现场数据建立模型，这仍然对SSC测量的实时、方便快捷性以及广泛使用产生了限制。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置。
[0005]本实用新型的目的通过以下的技术方案实现:
[0006]基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置，包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块，以及测量腔，其中
[0007]操作模块，与处理模块连接，用于人机交互，根据应用场景选择发射功率、各个换能器发射和接收所负责的频率范围、以及相应频段信号的初始频率fO1、调频系数bi和信号时间长度Ti;
[0008]处理模块，分别与操作模块、收发模块、输出模块相连，根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过收发模块发出以及接收测量信号的波形和数据，对接收信号数据进行分析处理得出SSC的测量结果，将结果传输给输出模块输出；
[0009]收发模块，与处理模块相连，位于测量腔内部，负责从数模转换器获取测量信号发射，以及接收信号传给模数转换器转换；
[0010]输出模块，与处理模块相连，用于显示处理模块测量的SSC以及线度分布的结果，或者将检测结果送给下一个处理系统，让该系统根据检测结果做出相应的响应；
[0011 ]测量腔是一个封闭的长方体，当超声波被悬浮物反射或散射到测量腔内表面时测量腔能将其吸收。避免多重反射影响到测量精度。
[0012]所述处理模块包括数字处理器、数模转换器及模数转换器，其中数字处理器根据操作模块的指令产生各段的LFM信号传送给数模转换器;从模数转换器中获取接收信号的数据进行谱估计、悬浮物线度估计以及SSC测量;然后将测量的结果传送给输出模块输出；数模转换器和模数转换器充当数字处理器和收发模块的桥梁，将数字处理器产生的信号数模转换传给收发模块发送，从收发模块接收信号进行模数转换传给数字处理器处理。
[0013]所述收发模块包括发送换能器阵列和接收换能器阵列。
[0014]所述测量腔内部采用吸声材料制造。
[0015]本实用新型装置的主要工作流程如下:操作者通过操作模块输入对应的参数，处理模块根据参数信息产生各段LFM信号，数模转换器转换成发射信号，传送给发射换能器阵列发射。然后接收换能器阵列接收测量信号，传送给处理模块。处理模块中的模数转换器将接收信号转换成数字信号传给数字处理器。数字信号处理器首先滤掉各个换能器负责频率范围外的信号并将滤波后的信号叠加，然后对信号进行谱估计得到总的衰减谱，再进行悬浮物线度估计以及SSC测量。最后将测量出来的SSC值以及线度分布值传送给输出模块输出结果。在含有悬浮物的水中进行测量之前，需要在纯净水中进行相同参数的测量并记录得到的参考信号。
[0016]本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0017]1、本实用新型利用宽频带LFM超声信号构造测量信号，测量信号在液体中传播时会受到悬浮物的反射和绕射等作用，接收信号相对于测量信号会产生频谱衰减，基于功率谱估计方法对接收信号进行谱分析，根据衰减频谱估计出液体中悬浮物线度的相对大小以及浓度的相对分布。其原理如下:
[0018]信号在水中传播时，遇到障碍物(即悬浮物)会产生反射和绕射等现象，其影响取决于悬浮物尺寸。当声信号的波长大于悬浮物粒径尺寸时，大部分声波能绕过障碍物继续向前传播;当声信号波长和悬浮物尺寸相当时，绕射现象明显；当声信号的波长小于悬浮物粒径时则声信号受到的悬浮物反射作用增加，大部分声波会被反射回来。但是一般悬浮物微粒表面不均匀，因此声信号经过悬浮物表面产生反射和绕射现象的同时也会产生散射现象，即声信号发向各个方向。与此同时，这些现象的产生会消耗声信号的能量，使声信号的功率谱发生一定程度的衰减，SSC越高，衰减就越厉害。对接收到的反射和绕射等信号的衰减功率谱进行谱分析，可得到信号功率谱衰减与悬浮物线度大小以及SSC高低的关系，进而估算出悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布，最后利用经验公式就可以得到具体的数值。
[0019]2、本实用新型为了克服现有测量方法难以在线测量、不能广泛使用以及应用成本高等不足，本实用新型利用超声波方向性好、穿透能力强、能量高等特性，使用宽频带的线性调频信号(以下简称LFM信号)作为测量信号，然后对接收到的反射信号和透射信号作功率谱估计，进而测量出水体SSC的相对分布并估计出悬浮物线度的相对大小，简单方便、成本低。
[0020]3、本实用新型采用宽频带LFM信号构造测量信号，利用收发换能器阵列对测量信号进行发射和接收，使测量信号有近似等幅的幅频特性和超宽频的特点，通过一次测量就可以得出线度范围相当大的各种悬浮物的浓度。
[0021]4、本实用新型使用方向性好、穿透能力强的超声测量信号，受悬浮物性质和环境参数的限制小。
[0022]5、本实用新型基于功率谱估计测量SSC，因此可以测量各种成分的悬浮物。
[0023]6、本实用新型测量精度高。随着数字信号处理特别是频谱估计、滤波技术的成熟，本实用新型的SSC测量可以达到较高的精度。另外，本实用新型的测量装置使用吸声材料，减低了多重反射声信号到达接收换能器阵列对测量结果的影响，进一步提高精度。
[0024]7、本实用新型成本低廉、可行性强。本实用新型装置所需的部件都是易于获取的，相对于光学方法采用的光学设备，本装置成本低廉。另外，本实用新型所采用的测量信号LFM信号容易产生，可以通过DSP用软件产生，也可以通过硬件产生。
[0025]8、本实用新型可在线测量SSC以及悬浮物线度的分布，实时监测水质变化。
【附图说明】
[0026]图1-1为本实用新型使用的测量信号线性调频LFM信号的函数图；
[0027]图1-2为本实用新型使用的测量信号线性调频LFM信号的频谱图；
[0028]图2为在纯净水中接收的参考信号的频谱图；
[0029]图3为接收反射信号的功率谱示意图；
[0030]图4为接收透射信号的功率谱示意图；
[0031 ]图5为本实用新型的测量方法步骤流程图
[0032]图6为本实用新型测量装置示意图；
[0033]图7为本实用新型收发模块示意图；
[0034]图8为本实用新型测量装置的具体实施过程流程图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0036]图6为实现上述装置有线连接的示意图，本装置主要包括操作模块、处理模块、收发模块和输出模块，各个模块按图6的方式连接。收发模块包括发射换能阵列和接收换能阵列，分别用于发送测量信号和接收反射、透射信号，阵列中的每个超声波转换器可以收发不同频率段的超声信号，并且各个频率段可以是连续的也可以是相隔一定频率的，阵列中超声波转换器的数目根据应用场景和测量的范围而定。处理模块的数字处理器可以用DSP芯片或者ARM等实现;数模转换器D/A和模数转换器A/D也可以用DSP芯片实现。
[0037]其中，收发模块位于测量腔内，如图7所示。测量腔为一个封闭的长方体，内部六个面均用吸声材料制作。后侧盖做成可以滑动，用于慢慢滑动封闭测量腔，以免造成太大的水压影响测量结果。
[0038]本实用新型的工作步骤如图8所示，具体如下:
[0039]步骤1:根据测量需要，选取测量信号LFM信号的幅度A(或发射功率)，并确定测量信号的初始频率f Q，调频系数b以及信号的时间长度T，也即确定了初始频率和最高频率。根据实际需要，将[fo，fn]分成N份，确定阵列中每个换能器负责的频率范围，进而确定各个换能器发送测量信号的初始频率fQl、调频系数匕和信号时间长度1\。输入操作参数，系统检测操作模块是否有操作请求，如果有操作请求则处理模块响应请求保存参数。
[0040]应用举例:假设某一水体悬浮物的直径Ass约为(0.5mm,Icm)，由于声音在水中的传播速度V声约为1500m/s，因此在进行测量SSC时，可先通过f = V声/Ass确定f ο以及fn。在此例中其范围约为[150KHz，3MHz]，可以用6个换能器分段覆盖这个频率段，这6个换能器分别负责的频率段可以为[10KHz，150KHz )、[150KHz，300KHz )、[500KHz，700ΚΗζ)、[700ΚΗζ，900ΚΗζ)、[ IMHz，2MHz)、[2MHz，3ΜΗζ)。此例中换能器负责的频率段是不完全连续的，根据这些频率段确定每段LFM信号的初始频率fQ1、调频系数bi和信号时间长度Ti。
[0041]步骤2:通过操作模块输入一个开始测量的信号。
[0042]步骤3:处理模块收到开始测量信号则根据输入参数(包括A，各段信号的初始频率、调频系数、信号时间长度)产生各段LFM信号。
[0043]步骤4:将产生的LFM信号传送到数模转换器，转换成模拟信号传送给收发模块，收发模块通过发送换能器阵列发送测量信号。
[0044]步骤5:接收换能器接收测量信号，将信号传送给模数转换器，模数转换器将转换后的数字信号传送给数字信号处理器处理。
[0045]步骤6:数字信号处理器首先滤掉各个换能器负责频率范围外的信号，并将滤波后的信号叠加，最后对信号进行谱估计得到总的衰减谱。对于图6中左边接收换能阵列基于P阶AR模型对各个接收换能器接收到的反射信号进行功率谱估计，右边的接收换能阵列基于Q阶MA模型对各个接收换能器接收到的透射信号进行功率谱估计。
[0046]步骤7:对总的衰减谱，根据前述测量方法计算悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布，根据应用需求找出对应经验公式，进而确定各种悬浮物的线度和对应浓度。
[0047]步骤8:将SSC的测量结果(包括线度和对应浓度)传送给输出模块，输出模块将结果输出。
[0048]注:在含有悬浮物的水体中进行正式测量之前，需要先检测收发换能器的特性，SP在纯净水中进行收发信号，所用测量信号以及对测量信号的处理与上述步骤一样，得到在纯净水中的参考信号功率谱Xrrf(f )。
[0049]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置，其特征在于，包括操作模块、处理模块、收发模块、输出模块，以及测量腔，其中 操作模块，与处理模块连接，用于人机交互，根据应用场景选择发射功率、各个换能器发射和接收所负责的频率范围、以及相应频段信号的初始频率fO1、调频系数bi和信号时间长度Ti; 处理模块，分别与操作模块、收发模块、输出模块相连，根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过收发模块发出以及接收测量信号的波形和数据，对接收信号数据进行分析处理得出SSC的测量结果，将结果传输给输出模块输出； 收发模块，与处理模块相连，位于测量腔内部，负责从数模转换器获取测量信号发射，以及接收信号传给模数转换器转换； 输出模块，与处理模块相连，用于显示处理模块测量的SSC以及线度分布的结果，或者将检测结果送给下一个处理系统，让该系统根据检测结果做出相应的响应； 测量腔是一个封闭的长方体，当超声波被悬浮物反射或散射到测量腔内表面时测量腔能将其吸收。2.根据权利要求1所述基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置，其特征在于，所述处理模块包括数字处理器、数模转换器及模数转换器，其中数字处理器根据操作模块的指令产生各段的LFM信号传送给数模转换器;从模数转换器中获取接收信号的数据进行谱估计、悬浮物线度估计以及SSC测量;然后将测量的结果传送给输出模块输出；数模转换器和模数转换器充当数字处理器和收发模块的桥梁，将数字处理器产生的信号数模转换传给收发模块发送，从收发模块接收信号进行模数转换传给数字处理器处理。3.根据权利要求1所述基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置，其特征在于，所述收发模块包括发送换能器阵列和接收换能器阵列。4.根据权利要求1所述基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置，其特征在于，所述测量腔内部采用吸声材料制造。
【文档编号】G01N29/032GK205620353SQ201620310079
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】宁更新, 宁秋燕, 王波文, 张军, 冯义志, 季飞
【申请人】华南理工大学