[发明专利]一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法与装置

摘要

本发明公开了一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法与装置，本发明采用的环状多频段交织阵列可结合多普勒效应在线测量悬浮物的浓度和线度分布、悬浮水体的三维流速，实现水质的实时监测。通过将所需测量的频率范围分成不同的频段，利用不同的收发换能器阵列对测量信号进行发送和接收，能通过一次测量得出线度范围相当大的各种悬浮物的浓度和线度分布。

主权项

一种基于环状交织阵列的悬浮物动态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、发送测量信号；测量装置相对于地面处于静止状态，在含有悬浮物的水中竖直向下发送测量信号s(t)：s(t)=Asin(Wt)πtcos(2πf0t)]]>式中，A是信号的幅度，W是信号的单边带宽，f0是信号的中心频率，其功率谱图在正半轴上为幅度为0.5A、带宽为2W、中心频率为f0的矩形脉冲：S(f)=12A,f0-W<f<f0+W;]]>每隔周期T发送一次，即发送频率为F＝1/T，发送时长为T0，T0<T；s(t)频率范围应包含在所用发射换能器和接收换能器的频率范围中，且发射换能器正下方有一个反射体，以保证接收换能器能充分接收到反射信号；S2、计算信号到达反射体时的频率；选取地面作为参考系，以超声发射探头S的位置为坐标原点，垂直地面向下为z方向建立空间直角坐标系，则S的坐标为(0,0,0)，反射体G的坐标为(0,0,z)，相应的多个接收换能器均和超声发射探头S在同一平面上；发射换能器S向z轴正方向，即方向发射测量信号，发送频率为F；z方向的单位向量可表示为设水流速度为其中vwx，vwy，vwz分别代表水流速度在坐标轴x、y、z三个方向上的分量，则水流速度在S→G方向的速度为：对于水中的悬浮物，由于悬浮物体积和质量都较小，在水中的流速主要与水流速度有关，因此估计悬浮物的沉降速度或流动速度可转换为计算悬浮水体的流速；假设声波在水下的传播速度为c，由于信号发射点S静止，根据多普勒效应可得，信号到达反射体时的频率为：fG=c+vwzcF;]]>S3、计算信号到达接收探头时的频率；L表示测量信号从发射换能器S出发传至反射体G最后传至接收换能器Ri的距离，为测量信号从反射体G传至接收换能器Ri的传播方向，αi、βi、γi分别为向量与坐标轴x、y、z的夹角，可得到向量的单位向量为则水流速度在G→Ri方向上的速度为：声波由反射体G至接收点Ri的过程中，受到水流的作用，因此测量信号会受到多普勒效应；对于测量信号s(t)，在发送端每隔周期T发送一次，信号在水中传播的过程中由于多普勒效应产生多普勒频移，因此接收端Ri最终接收到的反射信号ri(t)的周期为接收频率由于接收端没有运动，因此信号到达第i个接收换能器Ri时的频率为：fRi=cc+vw_GRifG]]>整理，得到测量信号s(t)从发送到接收的过程中，接收频率与发送频率之间的关系为：fRi=c+vwxccc+vw_GRiF=c+vwxc+vwxcosαi+vwycosβi+vwzcosγiF=(1+Δi)F]]>其中，Δ为多普勒因子；S4、需要M个接收换能器列出如上式所示的M个的等式，M≥3，即可求出上述三个未知数，由此求得悬浮水体的三维流速，即为悬浮物的速度；一个发射换能器和M个接收换能器组成一个收发阵列；S5、估计悬浮物的浓度和线度分布；利用信号功率谱对悬浮物浓度及线度分布做估计过程如下：S5‑1、采样；由于测量信号s(t)在水中受到衰减，同时受多普勒效应的影响，因此对第i个接收换能器Ri接收到的信号ri(t)，i＝1,2,..,M，采样后得到的信号为：ri(n)=Bisin[(1+Δi)WnTs]π(1+Δi)nTscos[2π(1+Δi)f0nTs]+wi(n)]]>其中，Bi、Δi分别为接收信号的幅度和多普勒因子，wi(n)为信号噪声，采样频率fs＝1/Ts(fs＞2f(f0+W))，Δi可由步骤S3求出；S5‑2、对接收信号ri(n)的自相关函数Ri(n)作2N点离散傅里叶变换，得：SRi(k)=Σn=0N-1Ri(n)e-j2πNnk,0≤k≤N-1]]>S5‑3、对该收发阵列的信号进行分析，发射换能器S的系统函数为H1(f)，接收换能器的系统函数均为H2(f)，同一个收发阵列中的接收换能器参数相同，且系统函数H1(f)和H2(f)可通过查看相应的换能器参数获得；测量信号s(t)发射出去时先经过系统H1(f)，同时，接收到的信号ri(t)也先经过系统H2(f)，因此在水中传播前和在水中传播过后的测量信号功率谱分别为H1(f)S(f)和S5‑4、由步骤S5‑3，测量信号在接收换能器Ri相应的fsk/N频点上的离散信号功率谱为测量信号在发射换能器S相应的fsk/N频点上的离散信号功率谱为由此得到衰减参数Qk：Qk=Σi=13SRi(k)H2(fsk/N)A2H1(fsk/N),k=0,1,...,N-1]]>表示测量信号经过水体前后的衰减参数；S5‑5、对于M个接收换能器接收的信号，对信号相应区间离散功率谱进行叠加，根据衰减参数Qk(k＝0,1,…,N‑1)和传输距离L反演出悬浮物的浓度，而测量信号的每个频点fsk/N则对应了四分之一波长线度的悬浮物的浓度。