专利名称：一种基于线性调频信号的空间介质流速测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及线性调频测量技术，具体涉及一种利用线性调频(LFM)技术构造测量信号，通过发射及接收线性调频(LFM)信号来进行指定区域内的三维介质流速的测量
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背景技术：
科技的日益发展，行业需求日益增加，介质流速的测量越来越成为人们关注的热点。随着近代流体力学和空气动力学的发展，特别是对多种复杂流动现象(包括紊流的形成、漩涡、激波干扰等)深入研究的需要，精确地测量和显示这些复杂流动现象就显得十分重要与迫切。这些复杂的流动现象一般是三维的、非周期性的，并具有异常复杂的空间结构和非定常特性，对干扰极为敏感。受其影响，三维介质流速的测量要求高，难度大。往往需要进行非接触测量以及使用高精度的显示技术才能获得精确的测量结果。另外，由于近年来对海洋资源的开发越来越成熟，针对地球上海洋面积为陆地面积两倍多的客观情况，水下测量技术日益增多，如船舰导航，潜艇追踪，鱼雷制导等等。但水下压力、介质以及环境的复杂性，导致水下速度测量难以方便进行，可以水陆两用的介质流速测量方法更是少之又少，因此对研究适用的流体测速方法尤为迫切。目前比较常用的介质流速测量方法主要有:空气动力测速法、热线测速法和激光测速法等。空气动力测速法主要用来测量二元流的速度和方向，使用不转动风速管进行测量，对气流的变化特别敏感。热线测速法可以使用热线或热膜进行测量，但热线稳定性差，只能用于气体，热膜可以适应于气体和液体，但造价高昂。激光测速技术则利用激光中的微粒感知来测量介质流速，但设备较为复杂，若在水下环境，光的传播衰减大，该方法难以在水中实现。线性调频信号是应用极为广泛的一种信号体制，输入信号的频率随时间成线性变化，其多普勒影响较小，具有很远的作用距离和高的距离分辨率。由于线性调频信号在空气以及水中的衰减相对都较小，因此可以利用线性调频信号对介质流速进行测量。目前一些测量方法主要是针对管道流体介质，利用超声传感器阵列，使用自适应的波束算法来测量速度(CN200480006749.9);或根据流体介质的流动特征，分割流体路径然后各自构建函数对速度进行测量(CN200510059972.9)。这些方法会使整个测量结构复杂化，而且测量方向单一，计算量大，不能很好地解决问题。本实用新型基于线性调频的三维介质流速测量方法与装置，不仅可以测量三维空间上各个方向的速度，而且设计简单，抗干扰能力强，所需的运算量很小，能够利用简单的设备精确测量出介质流速。另外，本实用新型提出的测量方法也适用于水下环境。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，简化目前介质流速测量方法的复杂性，解决难以适应水下环境的问题，提供一种基于线性调频信号的空间介质流速测量装置。该装置利用线性调频信 号构建测量信号，通过换能器变换及收发，计算出传播时间，从而推导介质流动速度。本实用新型的测量信号容易产生和收发，并且测量精度高，抗干扰能力强，可通过以下技术方案实现。基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其包括操作模块、处理模块、输出显示模块、发射模块和接收模块；所述操作模块与处理模块和输出显示模块连接，主要用于人机交互，根据应用环境的不同而选择发送信号的中心频率、调频斜率和信号时间长度参数，并调节发射模块发送信号的次数和接收模块的频率范围；所述处理模块分别与操作模块、输出显示模块、发射模块及接收模块相连，处理模块主要包括数字信号处理器、模数转换器和数模转换器；处理模块根据操作模块输入的指令进行数据处理，通过发射模块发出和接收模块接收测量线性调频信号的波形和数据，通过模数转换器中获取接收信号的数据，对接收信号数据进行分析处理得出介质流速的测量结果，并将结果传输到输出显示模块，其中数字信号处理器根据操作模块的指令产生不同的线性调频信号传送给数模转换器；模数转换器作为数字信号处理器和接收模块的连接桥梁，数模转换器作为数字信号处理器和发射模块的连接桥梁，数模转换器将数字处理器产生的信号进行数模转换后给发射模块发送，模数转换器从接收模块接收信号进行模数转换传后给数字信号处理器处理。进一步的，所述接收模块包括接收换能器，所述发射模块包括发送换能器，发送换能器负责从处理模块中的数模转换器获取发射信号发射，接收换能器将接收信号传送给处理模块中的模数转换器。进一步的，还包括测量架，测量架为空心的非封闭正方体硬质架，硬质架任意相对的两个面中，均有一个面布置有发送换能器，另一个面布置有接收换能器。进一步的，所述输出显示模块包括电脑显示屏和输出接口，电脑显示屏作为直接的显示和监测工具，为操作者提供实时的指令执行情况、各个过程的数字信号处理情况以及测量结果；输出接口 用于将测量结果输出到其他外接设备或系统。上述实用新型通过采用发送已知线性调频信号，对接收到的线性调频信号参数进行检测，从而确定信号在介质中传播时间的方法，精确测量出介质流速经过规定路径的时间，然后通过速度时间的物理方法精确求解出介质流动速度，实现了介质流速在三维空间内的速度测量。上述装置的主要工作流程如下:操作者通过操纵模块输入对应的参数，处理模块根据输入的参数信息产生各个线性调频信号，数模转换器转换成发射信号，传送收发模块中的分频器，根据线性调频信号的不同频率传送给各个发射换能器发射。接着各个接收换能器接收到对应的接收测量信号，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信号处理器。数字信号处理器将各个接收换能器的接收信号进行参数估计，滤除噪声信号，再进行数据换算，对介质流速进行测量。最后将测量出来的介质流动速度值传送给输出显示模块显示并输出结果。上述基于线性调频信号的空间介质流速测量装置的测量方法包括如下步骤:第一，在流体介质中一确定方向(如水平方向)上发送一个线性调频信号，并预先设定该线性调频信号的各个参数；第二，在与所述确定方向同一方向上，从设定空间内接收所发射的线性调频信号；第三，测得初始多普勒频移值，将接收到的线性调频信号与考虑了多普勒频移的初始信号的共轭进行乘积，通过数字信号处理方法及运算得出信号从发射到接收的时间值；第四，利用求得的时间值与流体介质没有流动时的理论时间值进行比较，即能精确计算出所述方向上的介质流动速度；通过任改变第一步骤中的方向，能得到流体介质在相应方向上的流动速度。进一步的，对于三维流体介质，在三维空间内构建一个直角坐标系，则空间内任意方向上的介质流动速度，通过所述第一至第四步骤得到三个直角坐标轴方向上的分速度，然后利用速度矢量的几何计算，得到任意方向上的三维介质流速。进一步的，在流体介质的一维流动方向上，设置相隔距离为L的一个发射模块和一个接收模块，分别用于线性调频信号的发送和接收；由于线性调频信号以声音形式传播，故在静止介质中的传播速度为固定值Vp若介质静止，发收端线性调频信号的传播时间为:
权利要求1.基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其特征在于包括操作模块、处理模块、输出显示模块、发射模块和接收模块； 所述操作模块与处理模块和输出显示模块连接，主要用于人机交互，根据应用环境的不同而选择发送信号的中心频率、调频斜率和信号时间长度参数，并调节发射模块发送信号的次数和接收模块的频率范围； 所述处理模块分别与操作模块、输出显示模块、发射模块及接收模块相连，处理模块主要包括数字信号处理器、模数转换器和数模转换器；模数转换器作为数字信号处理器和接收模块的连接桥梁，数模转换器作为数字信号处理器和发射模块的连接桥梁。
2.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其特征在于所述接收模块包括接收换能器，所述发射模块包括发送换能器，发送换能器负责从处理模块中的数模转换器获取发射信号发射，接收换能器将接收信号传送给处理模块中的模数转换器。
3.根据权利要求2所述的基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其特征在于还包括测量架，测量架为空心的非封闭正方体硬质架，硬质架任意相对的两个面中，均有一个面布置有发送换能器，另一个面布置有接收换能器。
4.根据权利要求3所述的基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其特征在于所述输出显示模块包括电脑显示屏和输出接口，电脑显示屏作为直接的显示和监测工具，为操作者提供实时的指令执行情况、各个过程的数字信号处理情况以及测量结果；输出接口用于将测量结果输 出到其他外接设备或系统。
专利摘要本实用新型公开了一种基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，所述装置包括操作模块、处理模块、输出显示模块、发射模块和接收模块；所述处理模块分别与操作模块、输出显示模块、发射模块及接收模块相连。本实用新型测量精度高，抗干扰能力强，运算量低，装置结构简单易用，成本低廉。
文档编号G01P5/22GK203117221SQ20122062969
公开日2013年8月7日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者宁更新, 李鉴通, 韦岗, 季飞 申请人:华南理工大学