用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法技术

本发明专利技术涉及用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，多普勒超声流速仪包括：计算机、控制器、接收器和发射器，接收器和发射器分别与控制器，计算机与控制器相连，该方法它包括以下步骤：用多普勒超声波流速仪在单位时间为20-40毫秒内通过快速傅里叶变换fft计算得到流动水频谱图；在上述流动水频谱图中选择频率为f＝f0-v/k范围内的频谱进行分析，得到流动水频谱截图和频谱局部图；对上述频谱局部图中的所有点的频率进行加权平均，得到上述流速点的流速；对所有流速进行规范，得到在所测时间内的流速点的流速。该方法可以在众多的干扰噪声中，准确地找到流速点的流速，最终得到稳定性好的流速值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及了一种处理实时测量流体流速，特别是用于一种用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法。
技术介绍
在用多普勒超声波测量流体流速时，需要根据发射出去的超声波信号，遇到前面流体粒子，然后进行反射将超声波信号传回接收器，经过流体粒子反射后，将传入接收器的信号与发射信号相比，发生了改变，根据多普勒原理，需要通过发射信号和接收信号分析得到流体粒子的运动速度，也就是流体的流速。但是现有的用多普勒超声波流速仪在单位时间为内通过快速傅里叶变换fft计算得到流动水频谱图，大约有20万个数据。利用快速傅里叶变换(FFT)对接收信号进行频谱分析，信号由于在水中粒子数量少，体积较小，会使接收信号的噪声太多，导致信噪比太差。接受信号中存在固定干扰，而且固定干扰噪声附近存在的干扰噪声较大，无法准确地得到流速点的流速。目前国内尚没有基于多普勒超声波精确测量流速的信号处理方法，该方案中就是把采集到的接受信号，经过该方法的处理后得到精确的流速值。
技术实现思路
本申请的专利技术目的在于提供一种用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，该方法可以在众多的干扰噪声中，准确地找到流速点的流速，最终得到稳定性好的流速值。为了完成本申请的专利技术目的，本申请采用以下技术方案：本专利技术的一种用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，多普勒超声流速仪包括：计算机、控制器、接收器和发射器，接收器和发射器分别与控制器，计算机与控制器相连，该方法它包括以下步骤：(a)、用多普勒超声波流速仪在单位时间为20-40毫秒内通过快速傅里叶变换fft计算得到流动水频谱图，在该流动水频谱图中，以频率f为横坐标，以频率f所对应的幅值M为纵坐标；(b)、在上述流动水频谱图中选择频率为f＝f0-v/k范围内的频谱进行分析，其中v为上述流动水的范围值，单位为m/s，f0为固定频率，单位为赫兹，k为＝(超声波在水中传播的速度)/(接收传感器频率*(cosθ1+cosθ2))，超声波在水中传播的速度的单位为为m/，接收传感器频率的单位为赫兹，得到流动水频谱截图。采用带通滤波方式过滤掉硬件引入的噪声，找到有效信号；(c)、对上述频谱局部图中的所有点的频率进行加权平均，得到一个加权平均频率值；即f’＝(M1*f1+M2*f2+…+Mn*fn)/(M1+M2+…+Mn)，通过计算v＝(f’-f0)*k得到上述流速点(5)的一个流速；(d)、重复上述步骤(a)-(c)，取在q倍的单位时间内1至q个流速，以所得到的上述各个流速的时间顺序对上述各个流速依次进行排列，q为5至13自然数中的奇数；(e)、将上述各个流速按照数值的大小进行排序后，取其中间值即得到了上述各个流速的中间流速值，当上述各个流速在中间流速值*(1-s)至中间流速值*(1+s)的范围外，该流速被赋予为中间流速值；当上述各个流速在中间流速值*(1-s)至中间流速值*(1+s)的范围内，上述各个流速即为该点本身的流速，s的取值范围为0.1-0.8，对上述流速进行规范；(f)、重复步骤(d)至(e)步骤，取在q倍的单位时间内2至q+1个流速，对2至q+1个流速进行规范；依此类推，得到在所测时间内的流速点的流速。本专利技术的用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，其中：接收器(4)的接收频率与发射器的发射频率相同，f0＝接收器(4)的接收频率-混频信号频率，混频信号频率：是控制器自身产生的固定频率。本专利技术的用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，其中：所述的单位时间为20毫秒。本专利技术的用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，其中：所述的θ1为接收器(4)发射的超声波与水流夹角；θ2为发射器(3)发射的超声波与水流夹角。本专利技术的用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，其中：所述的步骤(a)-(f)均是通过计算机来计算完成的。本专利技术的用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，其中：所述的步骤(e)中s的取值范围为0.4-0.6。本专利技术的用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法基于超声多普勒原理，将接收信号和发送信号进行频谱分析，通过滤波方式提取接受信号中的有用信息，与发送信号的固定频率求差，得到频率偏移值，然后根据多普勒原理，进一步得到流速值，该方法可以在众多的干扰噪声中，准确地找到流速点的流速，最终得到稳定性好的流速值附图说明图1为用多普勒超声波流速仪在测量河流的水流速的俯向示意图；图2为本专利技术的流动水频谱图；图3为本专利技术的流动水频谱截图；图4显示了本专利技术的频谱局部图，如图中的细线所画长方形内的部分；图5为本专利技术多普勒超声波流速仪的各个部件之间的连接关系的示意图。在图1和图5中，标号1为计算机；标号2为控制器；标号3为发射器；标号4为接收器，标号5为流速点；标号6为河流。具体实施方式如图5所示，本申请的多普勒超声流速仪包括：计算机1、控制器2、接收器4和发射器3，接收器4和发射器3分别与控制器2，计算机1与控制器2相连，如图1所示，图1直的箭头指示为河流6的流向，θ1为接收器4发射的超声波与水流夹角；θ2为发射器3发射的超声波与水流夹角，本专利技术是针对河流6的流速点5进行检测的。本专利技术的一种用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，该方法它包括以下步骤：(a)、用图1所示的多普勒超声波流速仪在单位时间为20-40毫秒内(例如在20毫秒)通过快速傅里叶变换fft计算得到流动水频谱图，如图2所示，在该流动水频谱图中，以频率f为横坐标，以频率f所对应的幅值M为纵坐标；(b)、在上述流动水频谱图中选择频率为f＝f0-v/k范围内的频谱进行分析，其中v为上述流动水的范围值，单位为m/s，f0为固定频率，k＝(超声波在水中传播的速度)/(接收传感器频率*(cosθ1+cosθ2))，例如：超声波在水中传播的速度为1492m/s，图1中θ1和θ2为15°，接收传感器频率为5*106赫兹，f0＝接收器4的接收频率-混频信号频率，混频信号频率：是控制器2自身产生的固定频率，混频信号频率为4545450赫兹，f0＝454550赫兹，k＝1.544*10-1，v选自-5m/s至5m/s，通过计算得到f在4.2218*105赫兹至4.8692*105赫兹的内，将图2中频率在上述f的范围内截取，得到图3所示的流动水频谱截图。采用带通滤波方式过滤掉硬件引入的噪声，找到有效信号；(c)、对上述频谱局部图中的所有点的频率进行加权平均，得到一个加权平均频率值；即f’＝(M1*f1+M2*f2+…+Mn*fn)/(M1+M2+…+Mn)，通过计算v＝(f’-f0)*k得到上述流速点5的一个流速v＝4.2m/s；(d)、在下一个单位时间内，多普勒超声流速仪通过快速傅里叶变换fft计算得到流动水频谱图，重复上述步骤(a)-(c)，找到在这个单位时间内的上述流速点5的流速；重复上述步骤(a)-(c)，找到在q倍单位时间内的上述流速点5的流速；以所得到的上述流速点5的顺序对上述流速点5的流速进行依次排列，q为5至13自然数中的奇数，例如q为7，得到上述流速点分别为4.2；3.6；3.8；4.4；6.8；2.0；3.2；(e)、将上述各个流速按照数值的大小进行排序后，取其中间值即得到了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，多普勒超声流速仪包括：计算机(1)、控制器(2)、接收器(4)和发射器(3)，接收器(4)和发射器(3)分别与控制器(2)，计算机(1)与控制器(2)相连，该方法它包括以下步骤：(a)、用多普勒超声波流速仪在单位时间为20‑40毫秒内通过快速傅里叶变换fft计算得到流动水频谱图，在该流动水频谱图中，以频率f为横坐标，以频率f所对应的幅值M为纵坐标；(b)、在上述流动水频谱图中选择频率为f＝f0‑v/k范围内的频谱进行分析，其中v为上述流动水的范围值，单位为m/s，f0为固定频率，单位为赫兹，k为＝(超声波在水中传播的速度)/(接收传感器频率*(cosθ1+cosθ2))，超声波在水中传播的速度的单位为为m/，接收传感器频率的单位为赫兹，得到流动水频谱截图。采用带通滤波方式过滤掉硬件引入的噪声，找到有效信号；(c)、对上述频谱局部图中的所有点的频率进行加权平均，得到一个加权平均频率值；即f’＝(M1*f1+M2*f2+…+Mn*fn)/(M1+M2+…+Mn)，通过计算v＝(f’‑f0)*k得到上述流速点(5)的一个流速；(d)、重复上述步骤(a)‑(c)，取在q倍的单位时间内1至q个流速，以所得到的上述各个流速的时间顺序对上述各个流速依次进行排列，q为5至13自然数中的奇数；(e)、将上述各个流速按照数值的大小进行排序后，取其中间值即得到了上述各个流速的中间流速值，当上述各个流速在中间流速值*(1‑s)至中间流速值*(1+s)的范围外，该流速被赋予为中间流速值；当上述各个流速在中间流速值*(1‑s)至中间流速值*(1+s)的范围内，上述各个流速即为该点本身的流速，s的取值范围为0.1‑0.8，对上述流速进行规范；(f)、重复步骤(d)至(e)步骤，取在q倍的单位时间内2至q+1个流速，对2至q+1个流速进行规范；依此类推，得到在所测时间内的流速点的流速。...

【技术特征摘要】
1.一种用多普勒超声波流速仪得到水流速信号的处理方法，多普勒超声流速仪包括：计算机(1)、控制器(2)、接收器(4)和发射器(3)，接收器(4)和发射器(3)分别与控制器(2)，计算机(1)与控制器(2)相连，该方法它包括以下步骤：(a)、用多普勒超声波流速仪在单位时间为20-40毫秒内通过快速傅里叶变换fft计算得到流动水频谱图，在该流动水频谱图中，以频率f为横坐标，以频率f所对应的幅值M为纵坐标；(b)、在上述流动水频谱图中选择频率为f＝f0-v/k范围内的频谱进行分析，其中v为上述流动水的范围值，单位为m/s，f0为固定频率，单位为赫兹，k为＝(超声波在水中传播的速度)/(接收传感器频率*(cosθ1+cosθ2))，超声波在水中传播的速度的单位为为m/，接收传感器频率的单位为赫兹，得到流动水频谱截图。采用带通滤波方式过滤掉硬件引入的噪声，找到有效信号；(c)、对上述频谱局部图中的所有点的频率进行加权平均，得到一个加权平均频率值；即f’＝(M1*f1+M2*f2+…+Mn*fn)/(M1+M2+…+Mn)，通过计算v＝(f’-f0)*k得到上述流速点(5)的一个流速；(d)、重复上述步骤(a)-(c)，取在q倍的单位时间内1至q个流速，以所得到的上述各个流速的时间顺序对上述各个流速依次进行排列，q为5至13自然数中的奇数；(e)、将上述各个流速按照数值的大小进行排序后...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏云峰，曲兆松，王驰，黄海龙，夏丽娟，郑钧，王希花，徐华，闻云呈，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，南京思孚泰科信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32