一种地下管道流速测量方法技术

本发明专利技术涉及一种地下管道流速测量方法，具体为：太赫兹雷达传感器开始工作，太赫兹雷达传感器接收回波信号，对回波信号进行离散频谱分析得到回波频谱；采用多普勒谱中心频率估计算法对回波频谱进行处理，得到多普勒频谱中心频率；基于多普勒频谱中心频率计算单次速度值，为了方便信号处理单元实现速度统计分布直方图，利用单次速度值计算单位的整型速度数据；对测量次数进行判断，若测量次数大于N0，则基于单位的整型速度数据计算当前N0个速度的均值和标准差；利用标准差作为门限滤除速度统计分布直方图中与均值偏差大于标准差的速度值，提取有效的速度值，基于有效的速度值得到滤波后的速度均值，将速度均值作为观察时间范围内速度的平均值。围内速度的平均值。围内速度的平均值。

【技术实现步骤摘要】
一种地下管道流速测量方法


[0001]本专利技术涉及一种地下管道流速测量方法，主要应用于太赫兹雷达回波信号频率估计，进而计算地下管道流速。

技术介绍

[0002]在针对城市地下排水系统不完善，经常发生排水不顺导致路面积水等问题。随着科学技术的发展，涌现了一些新的管道检测技术：质量式流量计、容积式流量计、压差式流量计、叶轮式流量计、超声波流量计、电磁流量计等，但这些流量计在地下管道的测量中多多少少存在些问题，无法满足现场需求。
[0003]目前已有测量精度较高的ADCP(声学多普勒流速剖面仪)测量设备，它是一种测量水速的水声学流速计，ADCP向水中发射声波，从而声波在水面上散射，一部分信号返回ADCP，最后根据多普勒频移来分析出流速。但是ADCP无法进入地下管道测量，接触式测量设备也因管道中漂浮物和污垢的影响，需要人员定期维护，消耗大量人力。
[0004]目前市面上的雷达流速仪大多采用24GHz，算法多使用频谱细化算法，频谱细化法需要先对回波中频信号进行FFT(快速傅里叶变换)变换得到频率估计初始值，然后对频谱值最大的两根谱线之间进行频谱细化得到精确的频率值，通过多普勒频率与速度的关系来估计速度值。
[0005]目前24GHz频段雷达流速仪对于高流速河道流速测量效果较好，但对于低流速场景，由于雷达载频低，多普勒频率小，加上硬件高通滤波器的限制，导致回波信噪比低，难以得到准确可靠的测速结果。
[0006]频谱细化频率估计技术采用CZT（线性调频Z变换）或者ZFFT（复调制傅里叶变换）等频谱细化技术估计回波频谱中的频率值。可以用于单频信号的频率准确估计，但是对于测流环境下回波信号是由多种信号组合而成，具有较多干扰，该方法受到干扰项的影响，导致计算误差。
[0007]目前，我国城市地下排水系统运行普遍不尽人意，经常发生污水通过雨水系统流入河道或者雨天管道排水不顺导致道路积水等现象，给城市环境带来严重的影响，同时影响市民正常生活。发生上述这些现象主要是因为早期地下管道设计不合理、雨、污水管道混接、管道系统不完善、管道淤积、管道堵塞等造成管道排水能力下降等原因。由于地下管道处于封闭密封环境，具有一定腐蚀性且伴随着有毒气体，再加上图纸档案缺失，因此通过人力巡检对地下管网的检修和维护缺乏科学的依据。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种地下管道流速测量方法，本专利技术主要用于太赫兹雷达流速测量，测速可靠性高，同时具有非接触、低功耗、体积小、抗腐蚀等优点，为地下管网流速检测提供了一种新的检测方法。
[0009]为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：
一种地下管道流速测量方法，应用太赫兹雷达传感器，所述太赫兹雷达传感器包括：信号处理单元、锁相环、集成微带收发天线的MMIC（单片微波集成电路）、透镜天线、中频滤波放大电路和模数采集控制器；所述集成微带收发天线的MMIC与透镜天线连接，MMIC与中频滤波放大电路连接，中频滤波放大电路与模数采集控制器连接，模数采集控制器与信号处理单元连接，信号处理单元与锁相环连接，锁相环与集成微带收发天线的MMIC连接；所述测量方法，具体包括以下步骤：步骤S1、太赫兹雷达传感器开始工作，发射固定频率的连续电磁波信号，电磁波信号经过散射后，太赫兹雷达传感器接收回波信号，并对回波信号进行离散频谱分析，得到回波频谱；步骤S2、采用多普勒谱中心频率估计算法对回波频谱进行处理，得到多普勒频谱中心频率；步骤S3、基于多普勒频谱中心频率计算单次速度值，为了方便信号处理单元实现速度统计分布直方图，利用单次速度值计算单位的整型速度数据；步骤S4、对测量次数进行判断，若测量次数小于N0，则返回步骤S1，太赫兹雷达传感器继续接收回波信号，若测量次数大于N0，则基于单位的整型速度数据计算当前N0个速度的均值和标准差；步骤S5、利用步骤S4得到的标准差作为门限滤除速度统计分布直方图中与均值偏差大于标准差的速度值，提取有效的速度值，基于有效的速度值得到滤波后的速度均值，将上述速度均值作为观察时间范围内速度的平均值。
[0010]在上述方案的基础上，步骤S1中对回波信号进行离散频谱分析的具体过程为：首先对回波信号s(t)采样得到离散信号s(n)，然后对离散信号s(n)进行离散傅里叶变换得到回波频谱，具体表达式如下所示：式中，N为采样点数，，n为整数且，k为整数表示频谱线的序号且。
[0011]在上述方案的基础上，步骤S2的具体过程为：步骤S21、频谱平滑处理：利用一定长度的低通滤波窗函数对回波频谱进行低通平滑滤波，窗函数的长度为频谱长度的十分之一；步骤S22、动态门限获取：本专利技术采用峰值频谱线前后两根频谱线均值的一半作为频谱主瓣的动态门限，能够有效防止频谱最大值异常大或者异常小导致的偏差；步骤S23、频谱主瓣提取：以峰值频谱线为分界线，向左搜索小于动态门限的第一根频谱线，对应的起始频率为，向右搜索小于动态门限的第一根频谱线，对应的终止频
率为；步骤S24、计算多普勒频谱中心频率：多普勒频谱中心频率等于上述提取的频谱主瓣上限和下限的频率均值，具体表达式为：。
[0012]在上述方案的基础上，步骤S3的具体过程为：利用多普勒频谱中心频率计算单次速度值，具体表达式如下所示：其中 表示太赫兹雷达传感器载频，表示单次速度值，表示光速，；为了方便信号处理单元实现速度统计分布直方图，根据单次速度值计算单位的整型速度数据，具体表达式如下所示：其中表示取整运算。
[0013]在上述方案的基础上，步骤S4中基于单位的整型速度数据计算当前N0个速度的均值和标准差的具体过程为：记录单位的整型速度数据出现的次数为，其中，单位的整型速度数据出现的概率为，，计算当前N0个速度的均值和标准差，具体表达式如下所示：体表达式如下所示：。
[0014]在上述方案的基础上，步骤S5中，有效的速度值满足以下条件：；有效的速度值出现的次数为，其中，表示所有满足
出现的测速结果总数，滤波之后有效的速度值出现的概率为，，滤波后的速度均值为：。
[0015]本专利技术的有益效果：1.本专利技术相较于已有的测量技术来说，采用的频率更高，多普勒频率大，测速盲区小；2.本专利技术采用动态门限方法来提取主瓣，可以有效防止频谱最大值异常大或者异常小导致的偏差；3.本专利技术通过频谱中心来估计频率值，频率估计结果更稳定可靠；4.本专利技术提出一种新的流速统计测量估计算法，更符合水流速近似正态分布的特点；5.本专利技术主要用于太赫兹雷达测速，测速可靠性高，同时具有非接触、低功耗、体积小、抗腐蚀等优点，为地下管网流速检测提供了一种新的检测方法。
附图说明
[0016]本专利技术有如下附图：图1雷达测速原理图。
[0017]图2太赫兹雷达传感器的框图。
[0018]图3谱中心示意图。
[0019]图4本专利技术所述方法流程图。
具体实施方式
[0020]以下结合附图1
‑
4对本专利技术作进一步详细说明。
[0021]本专利技术针本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下管道流速测量方法，其特征在于，应用太赫兹雷达传感器，所述太赫兹雷达传感器包括：信号处理单元、锁相环、集成微带收发天线的MMIC、透镜天线、中频滤波放大电路和模数采集控制器；所述集成微带收发天线的MMIC与透镜天线连接，MMIC与中频滤波放大电路连接，中频滤波放大电路与模数采集控制器连接，模数采集控制器与信号处理单元连接，信号处理单元与锁相环连接，锁相环与集成微带收发天线的MMIC连接；所述测量方法，具体包括以下步骤：步骤S1、太赫兹雷达传感器开始工作，发射固定频率的连续电磁波信号，电磁波信号经过散射后，太赫兹雷达传感器接收回波信号，并对回波信号进行离散频谱分析，得到回波频谱；步骤S2、采用多普勒谱中心频率估计算法对回波频谱进行处理，得到多普勒频谱中心频率；步骤S3、基于多普勒频谱中心频率计算单次速度值，为了方便信号处理单元实现速度统计分布直方图，利用单次速度值计算单位的整型速度数据；步骤S4、对测量次数进行判断，若测量次数小于N0，则返回步骤S1，太赫兹雷达传感器继续接收回波信号，若测量次数大于N0，则基于单位的整型速度数据计算当前N0个速度的均值和标准差；步骤S5、利用步骤S4得到的标准差作为门限滤除速度统计分布直方图中与均值偏差大于标准差的速度值，提取有效的速度值，基于有效的速度值得到滤波后的速度均值，将速度均值作为观察时间范围内速度的平均值。2.如权利要求1所述的地下管道流速测量方法，其特征在于，步骤S1中对回波信号进行离散频谱分析的具体过程为：首先对回波信号s(t)采样得到离散信号s(n)，然后对离散信号s(n)进行离散傅里叶变换得到回波频谱，具体表达式如下所示：式中，N为采样点数，，n为整数且，k为整数表示频谱线的序...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文鑫，许荆，杨鸿波，魏英，杨飞，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：