基于超声多普勒原理的三维流速仪的研究

夏丽娟，王 帅，纪红军

(北京尚水信息技术股份有限公司，北京 100085)

0 引 言

超声多普勒流速仪(ADV)运用多普勒原理，采用遥距测量的方式，对距离探头一定距离的采样点进行流速测量。超声多普勒流速仪是应用声学多普勒效应原理研制的测流仪。测量点在探头的前方，不破坏流场，具有如下测量优势：

1) 测量精度高，量程宽。

2) 可测弱流，也可测强流。

3) 分辨率高，响应速度快。

4) 可测瞬时流速，也可测平均流速。

5) 线性度好，流速检定曲线不易变化。

6) 探头坚固耐用，不易损坏，操作简便。

ADV已成为水力及海洋实验室的标准流速测量仪器，国内需求量很大。

目前，世界上有挪威Nortek公司、美国Sontek公司提供测量水体三维流速的ADV设备。这两家公司是国际上著名的、专业从事流动测量仪器研发的公司，Sontek公司开发和生产声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和流速仪，应用于海洋、河流、湖泊和实验室，在全世界范围提供产品销售和技术支持，可以为科研单位的实验室提供流体速度的测量设备，是国内外ADV系统的主要供应商。受制于国外大公司的技术和产品垄断，国内用户购买国外设备的维修和保养十分困难，影响设备的正常使用。购置国外仪器，价格昂贵，维修困难，对教学和科研工作十分不利。我国作为发展中的大国，依赖国外的仪器和设备进行科研，不少工作将处于被动局面。

本文采用超声多普勒测速计算，并结合模拟电路、FPGA、DSP等电子技术，实现信号发射、信号接收、模拟信号放大、数字电路采集、信号处理、信号传输等，获得水体流速，为水力学、流体力学基础研究和国家能源、水资源利用和水污染防治等重大战略需求提供坚实的技术支撑与设备保障。

1 系统结构组成

本系统主要包括超声传感器、信号发射模块、信号接收模块、信号逻辑控制模块、信号处理模块等5个部分。见图1。信号发射模块将脉冲信号传送至超声传感器，超声传感器包含发射传感器和接收传感器，发射传感器接收由发射模块传送的发射脉冲，将脉冲信号转换为超声波发射到水介质中。超声波遇到水介质中的颗粒后将发生信号的散射，接收端传感器接收颗粒的散射信号后，将超声波转换为电信号。由信号接收模块将该电信号进行滤波、放大后，通过信号逻辑控制模块进行AD采集，并将AD采集后的数据传输至DSP；DSP实现数字信号的处理与分析，获得信号的频移，从而计算得出水流的速度。

图1 系统结构图Fig.1 The structure of system

其中，超声传感器包含发射端和接收端，本系统实现三维流速测量，因此采用一个发射和三个接收传感器的结构。信号发射模块主要包含信号发生电路和功率放大电路，其中信号发生电路用于产生一定频率的脉冲信号，该脉冲信号与超声换能器的中心频率保持一致。功率放大电路将脉冲信号进行功率放大，较高功率的脉冲信号用来激励超声传感器。信号接收模块包含信号的放大和信号的滤波功能。由于水体中散射的超声信号经过传感器的声电转换后，需要对接收的电信号进行信号放大和多次滤波。信号逻辑控制模块包含AD采集和FPGA信号控制，接收信号通过放大和滤波后，进行AD采集，由FGPA控制采集的同步性和采集频率，再将采集的数据通过EMIF接口传输至DSP。

2 流速仪测量原理

2.1 超声多普勒流速测量原理

超声多普勒原理把观测源的频率变化同观测源和观测者的相对速度相联系。当流动的水体中所包含的细小的泥沙颗粒和其他物体伴随水体进行运动时，发射的超声波频率遇到颗粒物后发生反射和散射现象，则超声频率将发生变化，即由于相对运动导致的频率的变化。

多普勒频移即由于反射物的运动造成的接收到的反射信号的频率变化，也能描述为两个连续且独立的反射信号的相位差，其原理示意图见图2。发射声波的脉冲中只有非常小的声波能量被反射回传感器，大部分声波能量被吸收或者是被反射到其它方向。当反射体远离传感器端时，超声波频率移到较低频率，这种频移同超声传感器与反射体之间的速度成比例。部分多普勒频移的超声波散射到接收传感器端，散射体将作为超声波源，超声波频移一次后，又再次频移。通过对测量空间内大量散射体的多普勒频移信息的感知和处理，可计算出水流速度。

图2中，f0为发射端发射频率，相当于发射源的频率f0；fd为频率f0经过颗粒散射后的超声波信号发生频率的偏移，即多普勒频移。f0+fd为颗粒散射后的频率，相当于再次发生频移的发射源。

图2 超声多普勒原理Fig.2 Ultrasonic Doppler principle

2.2 三维测速原理

2.2.1 传感器结构

本系统为三维流速测量，传感器空间结构采用中间发射，3个接收传感器在空间上均匀分布。由图3可知，3个传感器空间间隔角度为120°，假设X方向接收传感器1与X方向的夹角为0°，则接收传感器2与X方向夹角为120°，接收传感器3与X方向夹角为240°。

2.2.2 频移计算

接收传感器接收回波信号，信号通过AD转换，将模拟信号转为数字电压信号。由FPGA采集并传输至DSP。DSP将采集的数据进行算法分析获得信号发生的频移。信号处理部分，主要采用自相关算法计算频移。在实际的测量过程中，由于接收的回波含有一定的噪声等因素，收到的回波往往不是单一频率的波，而是带有一定的谱展宽。在这种情况下，采用频率估计的方法来计算其中心频率的大小，自相关算法获得频移的大小。

2.2.3 速度计算

对于一发三收的结构模式，假设任何一个接收传感器与发射传感器的夹角为α，见图4。

图3 传感器位置结构图Fig.3 The diagram of sensors position

图4 收发传感器夹角Fig.4 The angle of between transmitter and receiver

当信号从发射端发射固定频率f0的脉冲信号，信号经过颗粒散射，再到接收端接收到信号，信号发生的频移fd与颗粒的速度v关系如下：

(1)

式中：c为超声在水中的传播速度。

由图3可知，为中间发射端，3个接收端在空间均匀分布。且发射端和任意接收端的夹角为α，则计算三维方向流速Vx、Vy、Vz的公式如下：

(2)

式中：fd1、fd2、fd3为3个接收传感器接收信号计算的频移；c为超声在水中的传播速度；f0为发射频率。

3 流速测量实验

目前，国内常用的超声多普勒流速仪为Nortek的小威龙，因此实验设计与小威龙进行流速的比对实验，见图5。其中，蓝色曲线为该系统下的流速仪(sinfotek)的测量速度，红色为Nortek的流速仪的流速测量。从图5中可以看到，其测量流速基本一致。

利用4个评价指标，分别为方差、均值、3倍方差以内的比例以及评估比例，对测试结果分析比对。见表1。

图5 速度比对图Fig.5 The diagram of comparison of the velocity

设备名称均值 /m·s-1方差3倍均方差百分比评估比例Sinfotek-ADV0.087 20.000 02999.49%0.062 281Nortek-ADV0.088 40.000 03299.56%0.064 168

4 结 论

本文开发了一种基于超声多普勒原理的三维流速仪，实现了对流速的三维方向流速的测量。通过一发三收的探头结构，获得空间3个方向的速度，并根据3个接收探头的空间关系合成出X，Y，Z 3个方向的流速。采用自相关算法获得各个通道频移，从而根据超声多普勒原理计算出流速。

本系统在流速测量中仍存在不足，比如低于2 cm/s的流速，由于噪声的原因，导致流速测量不准。这点可以在后续工作中，通过提高信噪比、提高发射探头的中心频率、优化算法等多方面的来解决。这些将在今后的工作中逐渐完善。