[发明专利]一种声学多普勒流速测量仪和流速测量方法

权利要求书

1.一种声学多普勒流速测量仪，其特征在于：包括发射模块、接收模块、控制电路、通信模块、单片机；所述发射模块的输入端接所述单片机的相应输出端，所述接收模块与所述单片机双向连接；所述控制电路的输出端接所述单片机的相应输入端；所述通信模块与所述单片机双向连接。

2.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述单片机为STM32F407。

3.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述发射模块由电平转换电路、H桥驱动电路、储能电路和发射换能器组成；所述电平转换电路的输入端连接所述单片机的相应输出端，其输出端经所述H桥驱动电路连接所述换能电路的输入端；所述储能电路的输出端连接所述H桥驱动电路的相应输入端；所述发射换能器包括压电陶瓷片。

4.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述接收模块包括接收换能器、谐振放大电路、第一至第三可控增益放大器、混频电路、第一至第二陶瓷滤波器和本振信号发生电路组成；所述接收换能器的输出端依次经所述谐振放大电路、第一可控增益放大器、混频电路、第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器接所述单片机的相应输入端；所述本振信号发生电路的输出端接所述混频电路的相应输入端；所述接收换能器包括压电陶瓷片；所述谐振放大电路和第一可控增益放大器的中心频率均为5MHz；所述第一陶瓷滤波器、第二可控增益放大器、第二陶瓷滤波器、第三可控增益放大器的中心频率均为455KHz；所述本振信号发生电路输出4.545MHz正弦信号。

5.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：还包括用于测量水温的温度补偿模块，所述温度补偿模块与单片机双向连接；所述温度补偿模块包括数字温度传感器。

6.根据权利要求5所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：所述数字温度传感器为DS18B20数字温度传感器。

7.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：还包括压力模块，所述压力模块与所述单片机双向连接。

8.根据权利要求1所述的声学多普勒流速测量仪，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块输入+12v电压，输出+6v电源电压、+5v电源电压和+3.3v电源电压；所述+6v电压为所述发射模块供电；所述+5v电源电压为所述接收模块供电，所述和+3.3v电源电压为所述控制电路、温度补偿模块、压力模块和单片机供电。

9.一种应用权利要求1所述声学多普勒流速测量仪的流速测量法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：发射测量信号：所述发射模块发射5MHz的超声波测量信号；

步骤2：接收水声回波超声波信号：所述接收模块接收水声回波超声波信号，将其转换为水声回波电信号；

步骤3：选频放大水声回波电信号：所述接收模块以5MHz为中心频率选频放大所述水声回波电信号，将其输出至所述单片机；所述单片机内置采样模块对其离散化后的采集信号为：

X(nτ)＝R(nτ)+jI(nτ)           (1)

令A_r为幅度，ω₀为多普勒频移角频率，τ为取样周期，所述采集信号的实部和虚部分别为：

R(nτ)＝A_r*cos(ω₀*nτ)              (2)

I(nτ)＝A_r*sin(ω₀*nτ)            (3)

步骤4：估计多普勒频移，由以下具体步骤组成：

步骤4-1：对所述采集信号的实部和虚部进行互相关处理，得到：

S₁＝R(nτ)*I[(n+1)τ]-I(nτ)*R[(n+1)τ]            (4)

S₂＝R(nτ)*R[(n+1)τ]+I(nτ)*I[(n+1)τ]            (5)

步骤4-2：计算多普勒频移中心频率：

f_a＝[1/(2nτ)]*arc tg(ΣS₁/ΣS₂)            (6)

步骤5：测量流速V：

V＝C*f_a/4*π*ω₀*cosα            (7)

其中，C为所述接收换能器阵附近的声速，计算方法为：

C＝1449.2+4.6u-0.055u²+0.29*10^-3*u³            (8)

其中u为所述接收换能器阵附近的海水温度，℃；α为声线与水平方向的夹角。