专利名称：一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及超声多普勒流量检测技术领域，具体涉及一种超声多普勒流量检测系 统及方法。
背景技术：
超声波多普勒流量计的测量原理是以多普勒效应为基础的，根据声学多普勒效 应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所观测到的声信号频率将不同于声源所发 出的频率，这个因相对运动而引起的频率变化与两物体的相对速度成正比。在超声波多普 勒流量测量方法中，超声波发射换能器为固定声源，向被测量的流体中发射固定频率的声 波信号，随流体一起运动的悬浮颗粒或者气泡将发射过来的超声波反射回接收换能器。声 源与流体中散射介质的相对运动将导致接收声波与发射声波之间产生频率差，即多普勒频
移。多普勒频移正比于流体流速，通过下述式子可以简要说明流速与多普勒频移的关系
权利要求
一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于包括中央控制处理器、频率合成器、发射部分、接收部分和显示器，其中，发射部分包括发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束子阵和第二波束子阵；接收部分包括第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络和信号处理器；所述中央控制处理器分别与频率合成器、发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络、信号处理器连接；发射机、功率分配网络、波束控制网络依次连接，波束控制网络分别与第一波速子阵、第二波束子阵、第一波速接收机和第二波速接收机连接；第一波速接收机和第二波速接收机还分别与多波束形成网络连接，信号处理器的输入端与多波束形成网络和频率合成器连接，信号处理器的输出端与显示器连接。
2.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述 频率合成器根据中央控制处理器提供的发射脉冲载波频率参数信息，在超声换能器阵元的 工作频率范围内合成一组不同的发射频率，用于多次测量，分别送至发射机和信号处理器， 测量在不同频点下的流速，以消除随机噪声的影响。
3.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述 发射机包括脉冲发生器、调制器和功率放大器，脉冲发生器接收中央控制处理器提供的脉 冲重复频率、脉冲长度和脉冲个数参数信息，由此产生符合要求的脉冲串送至调制器，所述 脉冲长度根据管径大小而动态调整，在测量小管道时发射短脉冲信号，以提高距离分辨率， 测量大管道时发射长脉冲信号，以提高信噪比；调制器用脉冲发生器送来的脉冲串信号调 制频率合成器生成的载波信号，所产生的调制信号送至功率放大器进行功率放大处理，然 后再送至功率分配网络；所述功率分配网络采用强制馈电方式，根据形成两个波束所需的 各子阵的功率幅值，将发射机功率耦合到形成两个波束的两个第一级子阵上。
4.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述 波束控制网络包括第一波束的收发开关、功率分配/相加网络，第二波束的收发开关、功率 分配/相加网络，若干个可变时延单元，和若干个可变可逆移相器；收发开关受中央控制处 理器控制，将发射机和接收机互相隔离，在发射时将来自功率分配网络的发射信号馈送至 各个子阵单元，在接收时将来自各个子阵单元的接收信号送至接收机；功率分配/相加网 络用于将发射机功率按特定需要分配耦合至各个子阵单元上，或者从各个子阵单元上按合 成要求采集接收功率至接收机；所述可变时延单元组成动态时延网络，用于产生各个子阵 间所需的动态时延序列；可变可逆移相器形成各波束指向所需的相位延迟，并结合时延单 元产生的动态时延序列，将波束偏转到不同方向，并聚焦到不同的距离单元上；当波束的焦点会聚在某一方向某一距离单元上时，各个阵元聚焦接收来自该距离单元 的回波信号，而来自其它距离单元或其它方向上的回波信号会被抑止；一旦接收完该距离 单元的回波信号，各个时延单元产生一组新的时延序列激活各个子阵，各个移相器产生一 组新的相位延迟序列激活各个阵元，以形成新的焦点，将波束聚焦到下一个距离单元；波束 焦点的移动是沿着波束轴向并与回波同步，其移动速度等于声速。
5.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述 第一波束子阵和第二波束子阵结构相同，形成两个波束的第一级子阵，并且收发共用；两个 第一级子阵分别与各自的波束控制网络连接，分别受各自的动态时延网络控制，以同时形 成一个截面内的两个方向的波束，从而减小流速分布随时间快速变化的影响；所述第一级子阵内部再划分为若干个第二级子阵分别按不同行和列排列，第二级子阵间加入可变时延 单元，第二级子阵内部分别由若干个超声换能器和若干个可变移相器组成；其中各个超声 换能器为各向同性阵元，并且工作频率有一个范围，在此范围内分别使用多个发射频点测 量不同频点下的流速，从而拟合实际的平均流速；超声换能器和移相器相连，并连接至每个 第二级子阵的时延单元，第二级子阵的方向图形成单元因子，用移相器使其指向希望的方 向，而阵因子的扫描则通过调整与频率无关的时延单元来实现；所有子阵以同样的方法进 行控制，整个辐射波瓣是阵因子和单元因子的乘积。
6.根据权利要求5所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述 第一波束和第二波束的偏转通过波束控制网络的控制，当完成某个波束方向的信号发射和 接收后，采用大间隔角度扫描的方法，将波束偏转到截面内其他方向进行扫描。
7.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述 第一波束接收机和第二波束接收机结构相同，包括低噪声放大器、模数转换器，低噪声放大 器用于将来自子阵单元的微弱回波信号进行放大和增益控制，模数转换器用于将模拟信号 转换为数字信号，便于进行数字信号处理。
8.根据权利要求1所述的一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在于所述 多波束形成网络采用数字配相方法，按每个相邻波束的指向来确定要补偿的相位值，并根 据各个子阵通道信号的幅度差异和降低波束副瓣要求的幅度加权系数来进行幅度调整，以 同时形成两个具有任意指向间隔的接收波束；所述信号处理器包括数字下变频单元、回波信噪比估计单元、多普勒频率估计单元、时 延_距离估计单元、声速跟踪单元、流速计算单元、流量计算单元，其中，所述数字下变频单元将来自两个波束通道的信号的载波去掉，得到只含多普勒 频移的量，并通过抽取将数据速率降低，分别得到两个同相和正交分量；所述回波信噪比估计单元用于在每个发射频点的初始测量时计算出回波信号的信噪 比，如果回波信噪比大于预先设定的门限值，表示当前测量的是小管道，需要保证足够的分 辨率，则继续以此脉冲长度发射信号并开始测量多普勒频率；如果回波信噪比小于该门限 值，则逐渐增大脉冲长度，其增量为一个预先设定好的数值，直到接收到的回波信噪比大于 门限值，这样可以保证测量小管道时提高距离分辨率，测量大管道时提高信噪比；所述时延-距离估计单元在每次脉冲发射后的一定时间内以相同的时间间隔对回波 信号进行采样，从而等效地将管道中的液体分成若干层，波束照射到每一层称为一个距离 单元；通过估计出每个发射脉冲的回波信号的时延，从而确定回波信号来自哪个距离单 元；所述多普勒频率估计单元通过对回波信号的自相关计算得出多普勒频移；所述声速跟 踪单元存储有各种管道材质中的声速数据，能接受用户输入的管道直径和管道材质信息， 并且能将管道材质信息和相应材质中的声速对应起来；在每个发射频点的初始测量时超声 换能器阵列垂直向管道内发射单脉冲信号，估计管道各个界面反射回波信号的时延，由已 知的管道直径和管道材质内的声速，估计出流体内的声速，重复多次计算出平均声速；所述流速计算单元根据多普勒频移和流体内声速以及波束与管道轴向之间的角度，计 算出流速；所述流量计算单元根据计算得出的流速，结合对应的距离信息，通过积分运算计算出流量。
9.根据权利要求1 8任一项所述的多频相控阵超声多普勒流量检测系统，其特征在 于所述中央控制处理器在测量的不同阶段生成带有不同参数的控制信息，以控制与其连接 的各个单元的运行，具体包括中央控制处理器根据保存在它内部的发射脉冲频率信息，产生频率参数控制信号送至 频率合成器，控制频率合成器产生不同发射频率的信号，用于实现多频点测量；同时，中央 控制处理器根据保存在它内部的脉冲重复频率、脉冲长度和脉冲个数参数信息，产生脉冲 控制信号送至发射机内的脉冲发生器，分别控制脉冲发生器产生符合不同要求的脉冲串信 号；在发射时，中央控制处理器根据形成两个波束所需的各子阵的功率幅值，控制功率分 配网络将发射机功率耦合到形成两个波束的两个所述波速子阵上；中央控制处理器控制波束控制网络中的收发开关，在发射和接收两个阶段中将发射机 和接收机互相隔离，并且产生功率控制信号送至功率分配/相加网络，使其将发射机功率 按需要分别耦合至各个子阵单元上，或者从各个子阵单元上按合成要求采集接收功率至接 收机；在测量不同角度和深度时，中央控制处理器分别产生不同的时延单元控制信号和相位 延迟控制信号，使时延单元和移相器控制波束偏转到不同方向和不同距离单元上；中央控 制处理器根据管道直径、阵列孔径大小和发射信号波长来确定波束聚焦的距离，在近场区 采用聚焦方式并动态调整孔径大小以适应近场的扫描，其中，聚焦的方向、聚焦的深度和孔 径大小信息由中央控制处理器提供，并且通过计算转换为各个子阵之间的时间延迟和各个 阵元的相位延迟，送至各时延单元和移相器；当扫描超过远场和近场之间的过渡分界线时， 中央控制处理器将波束扫描形式调整为仅采用单纯的波束偏转而不使用聚焦；当完成截面 内本次波束方向所有距离单元的扫描，中央控制处理器便根据保存在它内部的截面内偏转 角度信息，控制时延单元和移相器在新的波束方向上扫描；当完成截面内所有预设方向的 扫描，中央控制处理器便根据保存在它内部的偏转角度信息，控制时延单元和移相器，以改 变两个波束截面与管道轴向之间的角度，从而在新的波束截面上扫描；在接收阶段，中央控制处理器控制接收机对接收信号进行低噪声放大、模数转换处理， 并控制多波束形成网络按每个相邻波束的指向来确定要补偿的相位值，并根据各个子阵通 道信号的幅度差异和降低波束副瓣要求的幅度加权系数来进行幅度调整，同时形成两个具 有任意指向间隔的接收波束；根据实际所能测量的管径范围，中央控制处理器将回波信噪比门限值信息送至信号处 理器内的回波信噪比估计单元；如果回波信噪比小于该门限值，则由信号处理器产生一个 增大发射脉冲长度和脉冲长度增量大小的信息，反馈回中央控制处理器，由中央控制处理 器控制脉冲发生器增大发射脉冲长度。
10.权利要求1 9任一项所述的多频相控阵超声多普勒流量检测系统的检测方法，其 特征在于包括以下步骤步骤1，根据单脉冲回波信号时延，和已知的管道直径、管壁介质内的声速，估计出液体 中的声速，重复多次取平均；其中所述单脉冲信号是初始测量时垂直向管道内发射的，并且 管道直径已知或者可以通过物理测量得到，而管壁介质已知，所以管壁介质内的声速也可通过查找存储在声速跟踪单元内的各种管道材质中的声速数据而得到；步骤2，根据系统所能测量的管径范围，确定回波信噪比门限值；在超声换能器阵元的 工作频率范围内，以一定的载波频率，垂直向管道内发射K个短脉冲信号，估计回波的信噪 比，如果所得信噪比小于预先设定的门限值，则增大脉冲长度，其增量为预先设定的值，直 到回波信噪比大于门限值；步骤3，同时形成两个波束，两个波束之间的角度可以调整；在两个波束与管道轴向之 间成预设角度的截面，同时进行两个波束的发射和接收，估计流速并存储起来，如果波束扫 描的是近场区，则减小孔径大小，以减小聚焦波束的宽度；随着扫描距离的增大，分段增大 孔径大小，继续扫描远场区，估计流速并存储起来；步骤4，改变聚焦深度以对截面内本次波束方向进行扫描，估计流速并存储起来；当聚 焦距离超过波束近场区和远场区之间的过渡分界线范围时，调整波束扫描形式，即仅采用 单纯的波束偏转而不使用聚焦，从而减小波束扫描处理的时间，如果已经完成对截面内本 次波束方向的所有距离单元的扫描，则改变截面内两个波束的偏转角度，以对其它方向进 行扫描，同时估计速度并存储，其中新的波束偏转方向与当前波束方向之间的角度有一个 预先设定的较大的间隔，以消除在时间上先后形成的两个波束间的干扰；步骤5，如果已经扫描完截面内所有预设的方向，则改变两个波束截面与管道轴向之间 的角度，以对其它波束截面进行发射和接收，同时估计速度并存储；如果已经扫描完所有预 设的波束截面，则基于各个波束方向的速度估计值，计算该频点下的平均流速和流量；步骤6，在阵列工作频率范围内改变发射脉冲载波频率，重复执行以上步骤，分别测量 在不同频点下的流速，直到完成所有预设发射频点的测量；步骤7，计算所有发射频点下的平均流速，结合对应的距离信息，计算平均流量并送至 显示器进行显示。
全文摘要
本发明公开一种多频相控阵超声多普勒流量检测系统及方法，系统包括中央控制处理器、频率合成器、发射部分、接收部分和显示器。其中，发射部分包括发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束子阵和第二波束子阵。接收部分包括第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络和信号处理器。其特征在于所述中央控制处理器分别与频率合成器、发射机、功率分配网络、波束控制网络、第一波束接收机、第二波束接收机、多波束形成网络、信号处理器连接。该系统的检测方法通过相控阵技术实现波束偏转和动态聚焦，可以在整个管道截面上实现多方向、多深度位置的测量，并且动态调整波束扫描的形式，减少了波束扫描的处理时间，提高了测量精度。
文档编号G01F1/66GK101936756SQ20101026807
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者刘逸豪, 宁更新, 张军, 曹燕, 陈庭柱, 韦岗 申请人:华南理工大学