一种声学多普勒测流系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110596713A(43)申请公布日2019.12.20(21)申请号201910885543.9(22)申请日2019.09.19(71)申请人电子科技大学地址611731四川省成都市高新区（西区）西源大道2006号(72)发明人邹林孙继伟庞川川李婧汪学刚周云(74)专利代理机构电子科技大学专利中心51203代理人陈一鑫(51)Int.Cl.G01S15/58(2006.01)G01S7/524(2006.01)G01S15/10(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图1页(54)发明名称一种声学多普勒测流系统(57)摘要本发明公开一种声学多普勒测流系统，涉及信号处理领域，特别是海洋、河流及河渠观测技术领域。本发明效率系统包括水声换能器、DAC模块、时钟管理模块、数字信号处理模块、ADC模块、低噪声放大器、显示模块以及电源模块。该系统通过灵活地控制发射波形的频率、脉宽、带宽等参数，使之具有灵活多变的工作模式，以适应各种工作环境；同时采用FPGA进行回波信号处理，采用数字下变频技术取代希尔伯特变换，减小了系统实现的复杂度，再者，本发明也提升了系统的反应速度。CN110596713ACN110596713A权利要求书1/2页1.一种声学多普勒测流系统，包括水声换能器、DAC模块、时钟管理模块、数字信号处理模块、ADC模块、低噪声放大器、显示控制模块以及电源模块；其中，数字信号处理模块、DAC模块、水声换能器依次相连，通过数字信号处理模块产生发射波形，经过DAC模块进行数模转换后驱动水声换能器，将电能转换为声能，完成声波的发射；水声换能器、低噪声放大器、ADC模块、数字信号处理模块、显示模块依次相连，对水声换能器的回波信号进行放大，经ADC采样后送进数字信号处理模块完成多普勒频移估计，再把估计的结果通过串口发送给显示模块，根据多普勒频移计算出相应的水流速度并显示；水声换能器用于完成电能和声能的相互转换，DAC模块用于发射波形的数模转换并驱动水声换能器，ADC模块用于回波采样，低噪声放大器用于放大水声换能器接收的微弱回波信号，使其能够达到模拟数字转换器可采样的范围，数字信号处理模块用于完成发射波形的产生和控制，并对回波信号进行处理得到多普勒频移，时钟管理模块用于提供数字模拟转换器、模拟数字转换器和数字信号处理模块所需的工作时钟，显示模块用于显示测量结果，电源模块用于提供上述各部分所需的电源。2.如权利要求1所述的一种声学多普勒测流系统，其特征在于所述数字信号处理模块包含：发射波形控制与回波信号处理两部分；所述发射波形控制包括：DDS，脉冲调制模块，DDS根据实际情况产生某一频率的正弦信号；不同的水流环境，需要采用不同频率的发射信号；海洋环境下，选择300KHz或150KHz的发射频率，以保证足够的穿透性；在河流环境下，选择600KHz的发射频率；在沟渠水流环境下，选择900KHz或1.2MHz的发射频率；经过脉冲调制模块将该正弦信号调制成矩形脉冲信号，然后输出给DAC；所述回波信号处理部分包括：数字下变频模块和频率估计模块，所述数字下变频模块包括：第一混频器、第一低通滤波器、第一抽取模块、第二混频器、第二低通滤波器、第二抽取模块、直接数字式频率合成器，所述经过ADC采样得到信号分为两路，其中第一路信号依次经过第一混频器、第一低通滤波器、第一抽取模块，第二路信号依次经过第二混频器、第二低通滤波器、第二抽取模块；所述DDS产生一个余弦信号输出给第一混频器，DDS产生一个负正弦信号输出给第二混频器；所述第一抽取模块的输出和第二抽取模块的输出相加合成为一个信号，即分别作为复信号的实部与虚部，再将合成后的信号输出给频率估计模块；频率估计模块将计算结果输出给本地显示模块。3.如权利要求2所述的一种声学多普勒测流系统，其特征在于信号发射过程为：经DDS产生一个频率为f0的数字正弦信号f(t)：f(t)＝cos(2πf0t)(1)经FPGA编程控制参数进行幅度调制，得到矩形脉冲信号：其中T为矩形脉冲的周期，τ为矩形脉冲的脉宽，均可通过编程控制，n＝0,1,2,3...，所以发射信号如下：2CN110596713A权利要求书2/2页s(t)＝A(t)cos(2πf0t)(3)经DAC转换为模拟信号再由水声换能器发射出去；接收及信号处理过程为：假设水声换能器的回波经放大采样后的信号如下：其中为放大系数，fd为多普勒频移，经过数字下变频后的到两路正交基带信号：将两路正交基带信号合成复信号：Z(t)＝I(t)+jQ(t)(7)最后对该信号进行频谱估计即可得到多普勒频率fd，把频率估计结果经串口上报给显示模块，经下式转换后即可得到对应的径向水流速度，其中c为声波在水中的传播