[发明专利]基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量方法与装置

摘要

本发明公开的基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于，包含以下步骤：获取收发探头特性；分段发送各段LFM信号；接收测量信号；对接收的测量信号进行功率谱估计；计算悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布。本发明的测量方法，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。

主权项

1.基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于，包含以下步骤：S1、获取收发探头特性；S2、分段发送各段LFM信号；S3、接收测量信号；S4、对接收的测量信号进行功率谱估计；S5、计算悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布；所述基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量方法，具体包含以下步骤：步骤1：获取收发探头特性首先在纯净水中进行收发频率范围为[f0,fn]的LFM信号；通过宽频带LFM信号作为发射信号s(t)：式中，A是信号的幅度，f0为初始频率，b为调频系数，T是信号的时间长度，其中f0、b和T确定了线性调频信号的频率范围f为：f0≤f≤f0+bT                      (2)通过配置参数，产生频率范围[f0,fn]的宽频带LFM信号作为测量信号；步骤2：发送测量信号在含有悬浮物的水中发送测量信号，该测量信号与步骤1为同一信号，即宽频带LFM信号，频率范围以及每个超声换能器发送频率范围的选择都和步骤1作同样处理；步骤3：接收测量信号，所述测量信号包括反射信号和透射信号其中，透射信号包括绕射信号、散射信号以及经过多重反射的信号；步骤4：对接收信号进行功率谱估计对接收到的信号，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进行叠加，接下来对信号进行谱估计得到总的衰减谱；对反射信号：其中，x1(n)是接收到的反射信号，P是AR模型的阶数，{ak}，k＝1,2,…,P是P阶AR模型的参数，u(n)是均方误差为σ2的零均值高斯白噪声；将AR模型中的参数{ak}，k＝1,2,…,P以及σ2求解出来，进一步可得到AR模型的传递函数和信号功率谱；传递函数为：信号的功率谱为：根据公式(4)求出该功率谱的所有极点i＝1,2,...,P，即该极点对应的频率点为f_i；该极点对应的频点位置的功率谱即为谱峰位置，表明该频点附近反射作用强，即悬浮物含量高；对透射信号：其中，x2(n)是接收到的透射信号，Q是MA模型的阶数，{bk}，k＝1,2,…,Q是Q阶MA模型的参数，u(n)是均方误差为σ2的零均值高斯白噪声；求出MA模型中的参数{bk}，k＝1,2,…,Q，进一步可得到MA模型的传递函数和信号功率谱；传递函数为：信号的功率谱为：根据公式(7)求出该功率谱的所有零点r＝1,2,...,Q，即该零点对应的频点为f_r；该零点对应的频点位置的功率谱即为谱谷位置，表明该频点附近悬浮物含量高，透射过去的声信号少，能量低；步骤5：计算悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布对反射信号：利用参考信号功率谱Xref(f)对接收到的反射信号进行换能补偿，得到补偿了探头特性的功率谱X′1(fi)：其中，i表示经过P阶AR模型进行谱估计得到的第i个极点；对得到的修正衰减谱X′1(fi)进行谱分析，从频率确定相应的悬浮物线度，即由λi＝V声/fi得到该频率附近的悬浮物线度的相对大小；同时，从该频率的频谱幅度确定对应线度SSC的相对分布P1i：根据经验公式得到具体数值的以接收反射信号求解得到的悬浮物线度和SSC；对透射信号：利用参考信号功率谱Xref(f)对接收到的透射信号进行换能补偿，得到补偿了探头特性的功率谱X'2(fr)：其中，r表示经过Q阶MA模型进行谱估计得到的第r个零点；对得到的修正衰减谱X'2(fr)进行谱分析，从频率确定相应的悬浮物线度，即由λr＝V声/fr可得该频率附近的悬浮物线度的相对大小；同时，从该频率的频谱幅度确定对应线度SSC的相对分布P2r：由上述谱估计可得到两种分别基于反射信号和透射信号计算得到的悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布，根据经验公式得到具体数值的以接收透射信号求得的悬浮物线度和SSC。