一种基于超声调制多频声波的加速度测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于超声调制多频声波的加速度测量方法及装置，测量方法利用多频声波构造测量信号，测量信号碰到所测目标后反射，检测反射回来的回波信号，计算回波信号相对于发射信号的频率变化项来检测加速度。所述装置包括操作模块、控制模块、处理模块、收发模块以及显示模块；处理模块与控制模块、收发模块以及显示模块连接，处理模块根据控制模块的指令进行数据处理，通过获取测量信号的波形及数据，对回波数据进行分析处理得出加速度检测的结果，并把加速度的检测结果传输给显示模块显示。本发明专利技术计算精度高，抗噪能力好，克服现有加速度测量方法及加速度计必须在所测目标上安装传感器以及难以适用于水下环境等液体环境的不足。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及声波测量技术，具体涉及一种利用多频声波进行一维到三维运动目标的加速度测量方法与装置。
技术介绍
各个领域对加速度测量的需求越来越多，这些需求推进着加速度测量技术的不断发展。目前有不少的加速度测量方法及对应的加速度计，较常用的加速度计有硅微技术的加速度计(包括硅电容、硅电阻、硅压电、电子隧道等加速度计)、力平衡加速度计，以及光纤加速度计等。硅电容、硅压阻、硅压电加速度计基本原理类似，它们都是通过被测加速度使检测质量发生运动或者位移，进而由检测质量的运动或位移分别使电容器的电容量、压阻阻值以及压电极板间的电荷量发生变化，再由电桥测量出这些变化量从而就可以检测出被测加速度。电子隧道加速度计是利用隧道效应，通过被测加速度使检测质量发生位移进而使其与隧道探针之间的距离发生变化，此时电子探针和被测物体间会产生巨大的电流变化，只要检出此电流变化就能检测出被测加速度。力平衡加速度计的基本工作原理是通过被测加速度使检测质量发生位移，此时力平衡电路就会产生一个大小相等方向相反的静电力作为反馈来，这个反馈的力与产生位移的力平衡从而使检测质量的位移归零，只要检测出反馈输出电压就能检测出被测加速度。光纤加速度计的基本原理是被测加速度使检测质量发生位移，进而使得耦合到入射光纤的光功率发生变化，然后经过光电转换等一系列变化，检测出光功率变化量从而检测出被测加速度。由此可见，目前常用的加速度计都是基于牛顿第二定律，通过将加速度a在检测质量m上产生方向相反的惯性力F(通常表现为检测质量的位移)转换成电信号或其他可测信号从而测出加速度。可是，基于这样原理所制作的加速度计必定要在所测目标上安装检测质量及传感器，但很多应用上却不能预先接触所测目标，或所测目标不允许装上这样的检测质量及传感器，这时目前常用的加速度测量方法就不能使用了。此外，目前的加速度计在水下的应用也成了一个难题。海洋面积占据了地球70%以上的表面积，人类的活动空间正越来越多地转向海洋。水下加速度的测量需求也日益增多，例如潜艇导航、鱼雷制导等等。目前常用的加速度传感器在水介质中受到流体、压力等因素影响，往往难以方便直接地应用，研究适用于水下加速度测量的新方法尤为急切。现在常用的方法是提高加速度计或传感器的密封性(CN201020248943. 3)，但这样致使加速度计的结构和工艺非常复杂而且不能从根本上解决问题。本专利技术基于多频声波回波信号的加速度测量方法与装置，可以很好地解决上述两个难题。由于本专利技术是从声波回波信号处理的角度来测量加速度，打破了目前加速度计的限制，不需要在所测目标上安装传感器；另外，声波在水中衰减相对较小，因此本专利技术提出的方法适用于水下环境
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有加速度测量方法及加速度计必须在所测目标上安装传感器以及难以适用于水下环境等液体环境的不足，提供一种基于超声调制多频声波的加速度测量方法及装置。本专利技术通过以下技术方案实现。一种基于超声调制多频声波的加速度测量方法，利用多频声波构造测量信号，测量信号碰到所测目标后反射，产生回波，检测反射回来的回波信号，计算回波信号相对于发射信号的频率变化项来检测加速度。上述的加速度测量方法，具体包括如下步骤第一，利用频分复用技术，构造多频声信号作为基带信号，用超声载波对基带信号进行调制，调制频率为f。，从而得到发射信号；第二，将调制好的超声信号发射出去，信号碰到所测目标后反射，产生回波，检测反射回来的回波信号，解调得到基带回波信号；第三，对解调后的多频基带信号进行分解，得到多路带宽信号；第四，对分解后的每路单频信号计算其相对于发射信号的频率变化项，得到多个加速度检测值；第五，对多路的加速度检测值取平均，得到最终的加速度检测值。上述的加速度测量方法中，当目标点在一个二维平面内运动时，在该运动平面布置两个信号发射点，且两个信号发射点与所测目标三点不在一条直线上，通过所述第一至第五步骤检测出两个方向的加速度矢量，将这两个加速度矢量通过几何计算，得到总的加速度矢量。上述的加速度测量方法中，当目标点在一个三维空间中运动时，在运动空间中布置三个信号发射点，且这三个信号发射点和目标点不能在一个平面上，通过所述第一至第五步骤检测出不在同一个平面三个方向的加速度矢量，将这三个加速度矢量通过几何计算，得到总的加速度矢量。上述的加速度测量方法中，所述计算包括基带多频信号由N路单频信号叠加而成，N ^ 1，其中第i路单频信号为Si (t)= AiCos (2 π f^), Ai表示第i路单频信号的幅度，A表示第i路单频信号的频率，因此得到的基带多频信号为权利要求1.一种基于超声调制多频声波的加速度测量方法，其特征在于利用多频声波构造测量信号，测量信号碰到所测目标后反射，产生回波，检测反射回来的回波信号，计算回波信号相对于发射信号的频率变化项来检测加速度。2.根据权利要求I所述的加速度测量方法，其特征在于包括如下步骤第一，利用频分复用技术，构造多频声信号作为基带信号，用超声载波对基带信号进行调制，调制频率为f。，从而得到发射信号；第二，将调制好的超声信号发射出去，信号碰到所测目标后反射，产生回波，检测反射回来的回波信号，解调得到基带回波信号；第三，对解调后的多频基带信号进行分解，得到多路带宽信号；第四，对分解后的每路单频信号计算其相对于发射信号的频率变化项，得到多个加速度检测值；第五，对多路的加速度检测值取平均，得到最终的加速度检测值。3.根据权利要求2所述的加速度测量方法，其特征在于当目标点在一个二维平面内运动时，在该运动平面布置两个信号发射点，且两个信号发射点与所测目标三点不在一条直线上，通过所述第一至第五步骤检测出两个方向的加速度矢量，将这两个加速度矢量通过几何计算，得到总的加速度矢量。4.根据权利要求2所述的加速度测量方法，其特征在于当目标点在一个三维空间中运动时，在运动空间中布置三个信号发射点，且这三个信号发射点和目标点不能在一个平面上，通过所述第一至第五步骤检测出不在同一个平面三个方向的加速度矢量，将这三个加速度矢量通过几何计算，得到总的加速度矢量。5.根据权利要求I所述的加速度测量方法，其特征在于所述计算包括基带多频信号由N路单频信号叠加而成，NS 1，其中第i路单频信号为Si (t) =Ai cos (2 π fj) ,Ai表示第i路单频信号的幅度，fi表示第i路单频信号的频率，因此得到的基带多频信号为外)= YjA cos(2^-y0,0<t<T,l<i<N (公式 I)i=l式中，T为测量信号的时长；运动目标作变速运动，以发射测量信号的时刻为时间O点，此时，第k个发射点Sk离目标的初始距离为1M，目标以速度％，、加速度a做变速运动，k取值为正整数，目标在发射点 Sk与目标连线的方向上的运动速度分量为Vtlk,目标在发射点Sk与目标连线的方向上的加速度分量为ak，随着时间的变化，发射点Sk与目标之间的距离Ik为I 9h = ho + vOtt + -akt (公式 2)t时刻所接收到的回波所传播的距离为v_t，其中Vp为在某种气体或液体测量环境中声波传送的速度，，Vp · I为测量信号单程所传播的距离，满足vP^ = ho +vok- + ~ak(-f (公式 3)因本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宁更新，李尧辉，韦岗，张军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：