水下悬浮物浓度多角度组合测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于回波信号建模的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法与装置，利用带限的高斯噪声作为测量信号，发射时长不受测量信号频率范围的限制，可灵活调节以适应不同的测量环境；对接收到的回波信号建立零极点模型，得到更精准的悬浮物线度大小；使用角度可调节的锯齿支架固定收发换能器，通过改变锯齿夹角进行多角度组合测量，测量结果的稳定性更好；在每个测量角度下进行多次测量，并对测量求解结果取平均，能更好地反映当前角度下的悬浮物浓度分布情况，测量结果的鲁棒性更好；考虑到待测量水质可能会影响换能器的性能，采用卡扣结构固定换能器以方便进行更换，同时用全透射的防水材料保护换能器，确保其处于良好的工作状态。

Multi-angle combined measurement method and device for underwater suspended solids concentration

The invention discloses a multi-angle combined measurement method and device for underwater suspended solids concentration based on echo signal modeling. Using band-limited Gaussian noise as measurement signal, the transmitting time is not limited by the frequency range of measurement signal, and can be flexibly adjusted to adapt to different measurement environments. Zero-pole model is established for received echo signal to obtain more accurate suspended solids linearity. Small; fixed transmitter and receiver transducer with angle adjustable sawtooth bracket, through changing the angle between sawtooth and multi-angle combination measurement, the stability of measurement results is better; multiple measurements are made at each measuring angle, and the results of measurement are averaged, which can better reflect the concentration distribution of suspended solids at the current angle, and the robustness of the measurement results is better; considering the need to be measured. Quantity and water quality may affect the performance of transducer. Fixed transducer with clasp structure can be replaced conveniently. At the same time, transducer is protected by fully transparent waterproof material to ensure that it is in good working condition.

【技术实现步骤摘要】
水下悬浮物浓度多角度组合测量方法与装置
本专利技术涉及水下悬浮物动态监测
，具体涉及一种基于回波信号建模的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法与装置。
技术介绍
悬浮物浓度是水环境质量的重要影响因素之一，在一定程度上能综合反映水体的水质特征，是水质监测的一项重要指标。水下悬浮物的检测技术，对水质监控和海洋经济发展有重要意义。目前水下悬浮物浓度(以下简称为SSC)测量方法主要包括：过滤重量法、光学法、遥感技术和声学法。其中声学法通过分析液体中声学后向反射强度来测量SSC，具有快速直观、覆盖面积大的优点。目前的声学法测量水下悬浮物浓度，如CA201610229384.3、CA201710474523.3等方法，仅需单次测量就可以得到很大范围内悬浮物线度大小以及浓度相对分布，操作简单便捷。但是上述方法也存在以下不足：测量角度单一，由于悬浮物在水体中并不是均匀分布的，单一角度测量不够准确；测量信号的发射时长受限于LFM信号的频率范围，无法灵活调整；信号模型单一，实际情况中回波信号包含反射信号和透射信号，将其建模为单一的全零点模型或全极点模型不能很好拟合实际情况；并且现有方法都只进行单次测量，测量结果的鲁棒性不够好。此外现有基于信号建模的水下悬浮物浓度测量装置，多采用常规矩阵结构。这类常规矩阵结构固定、维护困难，同时抗干扰性差，不能进行灵活调整。为了克服现有悬浮物浓度测量方法的不足，亟待提出一种基于回波信号建模的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法与装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于回波信号建模的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法以及可灵活调节的测量装置。为了克服单一角度测量不够准确的不足，本专利技术采用角度可调的测量装置，通过多角度组合测量来提高测量结果的准确性。为了克服单次测量的不足，本专利技术在每个角度下进行多次测量，并对测量求解结果取平均，以提高测量结果的鲁棒性。本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种基于回波信号建模的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法，所述的测量方法步骤如下：S1、系统初始化；考虑到单个发射换能器工作的频率范围有限，将测量信号分为N段频率为[f0,f1)、[f1,f2)、......[fN-1,fN)的带限信号，分别由锯齿上对应的N个发射换能器进行发射。其中每段锯齿的长度为L，锯齿状支架与反射体的距离为D，锯齿夹角α从0°到180°可调。将锯齿夹角分为E等份，对应的夹角角度记为测量角度αe，e＝1,2,...,E，设置每个角度下的测量次数为2K。关闭测量腔左右两侧的MBR帘式膜组件，将固定有测量装置的测量腔密闭放入待测水质中，当测量腔内充满液体时开始测量。S2、发射测量信号和接收回波信号；为了克服LFM信号发射时长受限的不足，本专利技术采用带限的高斯噪声作为测量信号。带限高斯噪声由高斯白噪声经过带通滤波产生，其频率范围可以灵活调整，其功率谱图在正半轴上近似为频率范围为fn-1～fn(n＝1,...,N)，幅度为A的矩形脉冲：S(f)＝Afn-1＜f＜fn(1)已知声波在水中的传播速度为υc，发射换能器与反射体之间的距离de满足：故选取每次测量发射信号持续时间为Ttx：产生频率为[f0,f1)、[f1,f2)、......[fn-1,fn)的测量信号，控制对应的发射换能器进行发射。发射停止后接收换能器开始接收回波信号，接收时长为Trx(Trx＞Ttx)。每隔时间T(T＞Ttx+Trx)进行一次发射和接收，作为一次测量，测量次数记为k(k＝1,2,...,2K)。接收到的数据经过采样后存储在存储器中，采样点数为M，将当前角度αe下第k次测量第n个接收换能器收到的数据记为xekn(m)(m＝1,2,...M)。测量装置竖直下方的反射体用于充分反射声波，测量腔内壁可以吸收声波以减低对测量的干扰。当测量次数为K时，打开测量腔左右侧面直至腔内充满待测液体，再继续进行测量。当测量次数为2K时，当前测量角度下的测量结束。S3、对回波信号建立ARMA模型进行谱估计；测量信号在待测水质中经过反射、透射到达接收换能器矩阵，接收到的回波信号包括反射信号以及透射信号。为了克服信号模型单一的不足，本专利技术将回波信号建模为更符合实际情况的零极点模型(ARMA模型)。将测量角度αe下第k次测量中N个接收换能器接收到的信号叠加，作为第k次测量接收到的回波信号yek(m)：根据现有的模型阶数估计准则(如AIC准则等)，确定模型阶数p和q，并对第k次测量接收到的回波信号建立ARMA(p,q)模型：其中uek(m)为均值为0、均方误差为σek2的高斯白噪声，为对应于yek(n-a)的参数，γekb为对应于uek(n-b)的参数。利用现有的ARMA模型求解方法，可以求出γekb和σek2参数。根据ARMA(p,q)模型的零点对应于功率谱的谱谷，模型的极点对应于功率谱的谱峰关系，可获得第k次测量得到的回波信号的功率谱为：S4、求解相对功率谱；将在不含悬浮物的水质中测量得到的功率谱作为参考功率谱，用在待测水质中测量得到的功率谱除以参考功率谱，得到相对功率谱。在当前测量角度下，分别对前K次谱估计结果以及后K次谱估计结果取平均。前K次测量中MBR帘式膜组件是关闭的，即测量腔内充满着不含悬浮物的液体，对前K次测量结果取平均，得到参考功率谱：后K次测量中MBR帘式膜组件是打开的，即测量腔内充满着待测水质，对后K次测量结果取平均，得到在待测水质中回波信号的平均功率谱：式(8)和式(7)相除得到测量角度为αe时的相对功率谱：其中Re(f)的分布即为测量角度αe下的悬浮物浓度的分布。然后调整角度继续测量，令e＝e+1，如果e>E，进行下一步骤S5；否则回到步骤S2。S5、求解悬浮物浓度测量结果；对E个角度下的测量结果取平均得到多角度组合测量结果：的分布即为待测水质中悬浮物浓度的相对分布，其中频率为f对应尺寸悬浮物的线度大小为4υc/f。至此，通过多角度组合测量得到了稳定的悬浮物线度大小以及悬浮物浓度的相对分布。本专利技术的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种基于回波信号建模的水下悬浮物浓度多角度组合测量装置，所述的测量装置包括交互模块、数据处理模块、收发模块、电源模块，以及辅助测量的反射体和测量腔。收发模块连同反射体、测量腔构成测量模块。所述的交互模块由输入输出单元、串口通信单元以及显示器组成，与数据处理模块和电源模块相连。测量装置使用者根据应用场景由输入输出单元输入控制命令，经过串口通信单元发送给数据处理模块；数据处理的结果也是通过串口通信单元返回，并在显示器上进行显示。所述的数据处理模块包括数据处理器(数据处理器可采用STM32F407芯片)、A/D转换器、D/A转换器、串口通信单元，与交互模块、收发模块以及电源模块相连。数据处理模块根据交互模块的控制命令，产生测量信号交给收发模块发射，并接收从收发模块传回的数据；将接收数据进行处理，并通过串口通信单元将结果返回给交互模块。所述的数据处理模块还包括一个大容量的存储器，用于存储换能器阵列收到的数据。所述的收发模块，包括成对的发射换能器和接收换能器组成的换能器阵列以及BUF634高频功放单元，分别与数据处理模块和电源模块相连。数据处理模块通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于回波信号建模的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：S1、系统初始化，将测量信号分为N段频率为[f0,f1)、[f1,f2)、......[fN‑1,fN)的带限信号，分别由锯齿上对应的N个发射换能器进行发射，其中每段锯齿的长度为L，锯齿状支架与反射体的距离为D，锯齿夹角α从0°到180°可调，将锯齿夹角分为E等份，对应的夹角角度记为测量角度αe，e＝1,2,...,E，设置每个角度下的测量次数为2K，关闭测量腔左右两侧的MBR帘式膜组件，将固定有测量装置的测量腔密闭放入待测水质中，当测量腔内充满液体时开始测量；S2、针对不同测量角度αe发射测量信号和接收回波信号，采用带限的高斯噪声作为测量信号通过对应的发射换能器进行发射，发射时长为Ttx，发射停止后接收换能器接收回波信号，接收时长为Trx，Trx＞Ttx，每隔时间T进行一次发射和接收，作为一次测量，T＞Ttx+Trx，测量次数记为k，k＝1,2,...,2K，接收到的数据经过采样后存储在存储器中，采样点数为M，将当前角度αe下第k次测量第n个接收换能器收到的数据记为xekn(m)，m＝1,2,...M，当测量次数为K时，打开测量腔左右侧面直至腔内充满待测液体，再继续进行测量，当测量次数为2K时，当前测量角度αe下的测量结束，进行下一测量角度的测量；S3、测量信号在待测水质中经过反射、透射到达接收换能器矩阵，接收到的回波信号包括反射信号以及透射信号，对回波信号建立ARMA模型进行谱估计，根据ARMA模型的零点对应于功率谱的谱谷和ARMA模型的极点对应于功率谱的谱峰关系，获得第k次测量得到的回波信号的功率谱；S4、在当前测量角度αe下，将在不含悬浮物的水质中测量得到的功率谱作为参考功率谱，用在待测水质中测量得到的功率谱除以参考功率谱，求解得到测量角度αe下的相对功率谱，然后调整角度继续测量，令e＝e+1，如果e>E，进行下一步骤S5；否则回到步骤S2；S5、求解悬浮物浓度测量结果，得到悬浮物线度大小以及悬浮物浓度的相对分布。...

【技术特征摘要】
1.一种基于回波信号建模的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：S1、系统初始化，将测量信号分为N段频率为[f0,f1)、[f1,f2)、......[fN-1,fN)的带限信号，分别由锯齿上对应的N个发射换能器进行发射，其中每段锯齿的长度为L，锯齿状支架与反射体的距离为D，锯齿夹角α从0°到180°可调，将锯齿夹角分为E等份，对应的夹角角度记为测量角度αe，e＝1,2,...,E，设置每个角度下的测量次数为2K，关闭测量腔左右两侧的MBR帘式膜组件，将固定有测量装置的测量腔密闭放入待测水质中，当测量腔内充满液体时开始测量；S2、针对不同测量角度αe发射测量信号和接收回波信号，采用带限的高斯噪声作为测量信号通过对应的发射换能器进行发射，发射时长为Ttx，发射停止后接收换能器接收回波信号，接收时长为Trx，Trx＞Ttx，每隔时间T进行一次发射和接收，作为一次测量，T＞Ttx+Trx，测量次数记为k，k＝1,2,...,2K，接收到的数据经过采样后存储在存储器中，采样点数为M，将当前角度αe下第k次测量第n个接收换能器收到的数据记为xekn(m)，m＝1,2,...M，当测量次数为K时，打开测量腔左右侧面直至腔内充满待测液体，再继续进行测量，当测量次数为2K时，当前测量角度αe下的测量结束，进行下一测量角度的测量；S3、测量信号在待测水质中经过反射、透射到达接收换能器矩阵，接收到的回波信号包括反射信号以及透射信号，对回波信号建立ARMA模型进行谱估计，根据ARMA模型的零点对应于功率谱的谱谷和ARMA模型的极点对应于功率谱的谱峰关系，获得第k次测量得到的回波信号的功率谱；S4、在当前测量角度αe下，将在不含悬浮物的水质中测量得到的功率谱作为参考功率谱，用在待测水质中测量得到的功率谱除以参考功率谱，求解得到测量角度αe下的相对功率谱，然后调整角度继续测量，令e＝e+1，如果e>E，进行下一步骤S5；否则回到步骤S2；S5、求解悬浮物浓度测量结果，得到悬浮物线度大小以及悬浮物浓度的相对分布。2.根据权利要求1所述的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法，其特征在于，所述的测量信号采用的带限高斯噪声由高斯白噪声经过带通滤波产生，其频率范围可调整，其功率谱图在正半轴上的频率范围为fn-1～fn，n＝1,...,N，幅度为A的矩形脉冲：S(f)＝Afn-1＜f＜fn(1)已知声波在水中的传播速度为υc，发射换能器与反射体之间的距离de满足：故选取每次测量发射信号持续时间为Ttx：产生频率为[f0,f1)、[f1,f2)、......[fn-1,fn)的测量信号，控制对应的发射换能器进行发射。3.根据权利要求2所述的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法，其特征在于，所述的步骤S3过程如下：将测量角度αe下第k次测量中N个接收换能器接收到的信号叠加，作为第k次测量接收到的回波信号yek(m)：根据ARMA模型阶数估计准则，确定模型阶数p和q，并对第k次测量接收到的回波信号建立ARMA(p,q)模型：其中uek(m)为均值为0、均方误差为σek2的高斯白噪声，为对应于yek(n-a)的参数，γekb为对应于uek(n-b)的参数，利用ARMA模型求解方法求出γekb和σek2参数；根据ARMA(p,q)模型的零点对应于功率谱的谱谷，模型的极点对应于功率谱的谱峰关系，获得第k次测量得到的回波信号的功率谱为：4.根据权利要求3所述的水下悬浮物浓度多角度组合测量方法，其特征在于，所述的步骤S4中测量角度为αe时的相对功率谱通过分别对前K...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁更新，景广豫，周镓杰，杨萃，张军，冯义志，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44