一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法与流程

技术特征：

1.一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)搭建一套以聚焦式超声波探头为核心的超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量装置，包括信号发生模块、超声换能模块及数据采集模块；

2)测量前，对测量系统进行调试，之后启动测量装置进行测量；

3)对采集到的信号进行相空间分割和符号动态滤波分析，得到与泥沙浓度相关的参数值浓度测度，具体是：

将采集到的离散信号提取得到x(n)，对其进行希尔伯特变换，表示为x(n)与h(t)的卷积，即：

$\hat{x}\left(n\right)=x\left(n\right)*h\left(n\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{x(n-2m+1)}{2m-1}$

由连续信号的希尔伯特变换可知，离散信号的希尔伯特变换可以看做是x(n)通过一个等效的滤波器h(n)的输出；h(n)的离散时间Fourier变换定义为：

$H\left(e^{j\mathrm{\ω}}\right)=\begin{array}{cc}-j,& 0\<\mathrm{\ω}\<\mathrm{\π}\\ j,& -\mathrm{\π}\<\mathrm{\ω}\<0\end{array}$

对应的脉冲响应为：

由卷积定理可知，在时域上的卷积为频域上的乘积，则：

$F\[\hat{x}\]\left(\mathrm{\ξ}\right)=H\left(H^{j\mathrm{\ω}}\right)\·F\[x\]\left(\mathrm{\ξ}\right)=h\left(n\right)*x\left(n\right)$

经过傅里叶变换后，信号共轭对称，负频率的信息和正频率的信息重合，则在复数域内，对应的信号表示为：

$A\[x\]\left(n\right)=x\left(n\right)+i\hat{x}\left(n\right)$

因此，希尔伯特变换后相位与x(n)相位是正交的；也就是说，解析信号还可以表示为：

上式已将信号表示成为极坐标形式，A(n)和分别对应极坐标的r轴和θ轴，经此，对原始信号的一个二维相空间建立完成；为了给D-Markov机的运行提供条件，相空间分割为可用不同符号所表示的几个完备互斥的区域；在包含整个信号信息的紧致域Φ内对信号的幅值和相角分别进行最大熵分割法；为了使每个符号出现的概率几乎一致，将数据按照幅值大小重新排序，等数量地分为|X_A|组，用x_i表示根据幅值分割的各个符号，符号表X_A用以表示每一组符号的集合：

X_A＝{x_i；i＝1，2......|X_A|}

同时，数据以同样的方法按相角大小分为组，符号表用以表示每一组符号的集合：

经过幅值和相角的最大熵分割，整个紧致域Φ被分为个区域，每一个区域都由一组包含幅值信息x_i和和相位信息x_j的符号对表示，用符号表X来表示所有符号对的集合：

X＝{(x_i，z_j)}

采用D-Markov机对信号进行分析，基于D阶Markov过程的一个符号出现的概率仅取决于它前面的D个符号的原理，则认为包含了相同的长度为D的子符号串的两个符号串是等价的；故整个信号的符号串至多分为|X|^D个等价类，每个属于该信号符号串的等价类的符号串长度为D，各自为一个有效状态，所有的有效状态的集合里面元素的个数为|X|^D；

当两个有效状态的符号串其中一个S的第二个到最后一个符号与另一个S’的第一个到倒数第二个的字符依次完全一样时，在S新接收一个符号是S’的最后一个符号的同时去掉原符号串的最前面的符号，S转化为另一个有效状态S’，即为状态的转移；每一个有效状态可以向不同的另外的有效状态转移，其转移概率的总和为1：

$\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\π}}_{jk}=1$

其中π_j，k表示状态j到状态k转移的概率，由于状态转移的条件相对严苛，一个D-Markov机中，很多个π为0，π不等于零的情况叫做非零入口，最多有|X|^D+1个；

假设状态j的符号序列S为s₁s₂……s_D，若状态j可以转移为状态k，则状态k的符号序列S’为s₂s₃……s_D+1；将符号序列s₁s₂……s_D以及符号序列s₁s₂s₃……s_D+1的个数分别记为N和M，那么：

${\mathrm{\π}}_{jk}=\frac{M}{N},N\≠0$

其中，N＝0的时候，代表状态j不存在；

将状态的集合Q中的各个状态编号为1,2……n，则，按照下面的顺序填入各个状态转移概率得到状态转移矩阵：

根据状态转移矩阵得到状态转移向量p和p’，浓度测度定义为：

4)建立浓度测度与泥沙浓度的关系图，得到测量模型。

2.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于：所述的聚焦式超声波探头为球面电子相控阵列聚焦。

3.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于：所述的相空间分割基于希尔伯特变换，将时间序列映射到二维相空间。

4.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于：所述的符号动态滤波依赖D-Markov机的建立。

5.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于：所述的D-Markov机得到的状态概率向量可以反映出超声波衰减的信息。

6.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于：所述的超声波衰减的信息用浓度测度表征，和泥沙的浓度存在一定的函数关系。

7.根据权利要求1所述的一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于：所述的信号发生模块包括信号发生器和功率放大器，所述的超声换能模块包括聚焦式超声波发射探头和聚焦式超声波接收探头，所述的数据采集模块包括功率放大器和示波器。

8.根据权利要求7所述的一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于：所述的超声换能模块的中心频率为1.13Mhz。

9.根据权利要求7所述的一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于：所述的信号发生器发出的初始信号为1.13MHz频率、2Vpp峰峰值的猝发波。

10.根据权利要求7所述的一种超声波聚焦式河流泥沙浓度在线测量方法，其特征在于：所述的示波器采样频率为5MHz，单次采样点数为7000个，用USB设备储存采样点。