基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量方法与装置

摘要

本发明公开的基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量方法，其特征在于，包含以下步骤：获取收发探头特性；分段发送各段LFM信号；接收测量信号；对接收的测量信号进行功率谱估计；计算悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布。本发明的测量方法，利用宽频带LFM超声信号构造测量信号，测量信号在液体中传播时会受到悬浮物的反射和绕射等作用，接收信号相对于测量信号会产生频谱衰减，基于功率谱估计方法对接收信号进行谱分析，根据衰减频谱估计出液体中悬浮物线度的相对大小以及浓度的相对分布。

说明书

技术领域

本发明涉及液体悬浮物浓度测量，特别涉及基于超声功率谱估计的液体悬 浮物浓度测量方法与装置。

背景技术

近年来，水体悬浮物超标问题日益加重，由于超标的悬浮物会严重危害生 物体的健康与生态环境的发展，人们也更加重视水质的检测与评估，并提出了 很多测量悬浮物浓度(以下简称SSC)的方法。目前测量SSC的常用方法有过滤 重量法、声学法、光学法和遥感技术。

第一，过滤重量法通过采样、过滤、烘干、称重等过程测量SSC，测量准确， 操作简单，但是采样条件和测定条件都会对测量结果的准确性产生影响，并且 该方法只能获得在时间和空间上都很离散的少量点的数据，难以反映大范围水 域水质的变化和分布情况。第二，声学法通过分析一定浓度下的声学后向散射 强度来确定SSC，可以直观快速、大面积地对悬浮物进行测量。但是，该方法大 部分采用单频信号或者窄脉冲信号，虽然窄脉冲信号有宽频特性但它并不容易 产生，而且不是频谱等幅宽频信号；另外该方法即使采用宽频信号，使用的测 量装置大多利用一个换能器，收发信号的带宽受到换能器限制。第三，光学法 利用光的衰减和散射来测量SSC，但一般使用的光学仪器设备精细，成本高，同 时光在水中的光学性质会随着水中SSC的变化而变化，因此也限制了光学法的 应用。而且，所有的单频仪器(声学或光学)都有一个缺陷，即无法区分悬浮 物线度和浓度的变化。第四，遥感技术通过卫星或航空遥感信息进行大面积范 围内水质情况(包括悬浮物含量)的空间分布及动态的定量分析，具有宏观、 大面积、周期性动态监测的特点。但是，卫星遥感的数据需要用现场数据进行 验证，同时与现场数据建立模型，这仍然对SSC测量的实时、方便快捷性以及 广泛使用产生了限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于超声功率谱估计 的液体悬浮物浓度测量方法。

本发明的另一目的在于提供基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装 置。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量方法，包含以下步骤：

S1、获取收发探头特性；

S2、分段发送各段LFM信号；

S3、接收测量信号；

S4、对接收的测量信号进行功率谱估计；

S5、计算悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布。

所述基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量方法，具体包含以下步骤：

步骤1：获取收发探头特性

首先在纯净水中进行收发频率范围为[f₀,f_n]的LFM信号；通过宽频带LFM 信号作为发射信号(即测量信号)s(t)：

$s\left(t\right)={\mathrm{Ae}}^{j2\pi (f_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{bt}}^2)},0\le t\le T---\left(1\right)$

式中，A是信号的幅度，f₀为初始频率，b为调频系数，T是信号的时间长 度，其中f₀、b和T确定了线性调频信号的频率范围_f为：

f₀≤f≤f₀+bT(2)

通过配置参数，产生频率范围[f₀,f_n]的宽频带LFM信号作为测量信号；由 于一个超声换能器只能发送一定频率范围的超声信号，因此将频率范围很宽的 测量信号分成N段频率[f₀,f₁)、[f₁,f₂)、……[f_n-1,f_n]的LFM信号构造，不同探 头发不同频率范围的LFM信号。只要确定了每个频率范围段的起始频率和最高 频率，就可以确定每个换能器所发送的LFM信号的f₀、b和T，因此，所述测 量信号的频谱是各个换能器的频谱图的叠加。测量信号的时频图如图1-1、图1-2 所示。

在无杂质的纯净水中，理论上接收信号的功率谱相对发射信号的功率谱产 生的频谱衰减应该是平稳的，也就是说，测量信号穿过水中会产生频谱衰减， 但每一频率分量的衰减幅度相等。但是，即使是在纯净水中，测量信号的各段 频率也可能受到不同程度的衰减，以此时的接收换能器接收到的信号所求得的 功率谱X_ref(f)作为参考信号功率谱，该功率谱含有探头特性。此时在纯净水中 接收到的参考信号的频谱图X_ref(f)如图2所示。

步骤2：发送测量信号

在含有悬浮物的水中发送测量信号，该测量信号与步骤1为同一信号，即 宽频带LFM信号，频率范围以及每个超声换能器发送频率范围的选择都和步骤 1作同样处理；

步骤3：接收测量信号，所述测量信号包括反射信号和透射信号

由声信号在水中传播受到的悬浮物作用的原理可知，在设置接收装置时， 要求同时接收全部透射过去的信号以及反射回来的信号。其中，透射信号包括 绕射信号、散射信号以及经过多重反射的信号；由于接收信号的衰减功率谱对 应着某一线度悬浮物的分布，因此接下来分别对接收的反射信号和透射信号进 行谱分析就可估计悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布。

步骤4：对接收信号进行功率谱估计

对接收到的信号，滤掉各个换能器负责频率范围外的信号并将滤波后的信号 进行叠加，接下来对信号进行谱估计得到总的衰减谱；

对反射信号：

当某一线度的SSC较高时，测量信号将更多的被悬浮物反射回来，接收到 的反射信号功率谱也会相应增强，此时在该线度附近反射信号功率谱将会达到 一个峰值。因此，本发明基于P阶AR模型估计接收到的反射信号的频率响应。

$x_1\left(n\right)=-\underset{k=1}{\overset{P}{\Sigma }}{a}_k{x}_1(n-k)+u\left(n\right)---\left(3\right)$

其中，x₁(n)是接收到的反射信号，P是AR模型的阶数，{a_k}，k＝1,2,…,P 是P阶AR模型的参数，u(n)是均方误差为σ²的零均值白噪声序列；

通过现有的方法(如Burg算法)可将AR模型中的参数{a_k}，k＝1,2,…,P 以及σ²求解出来，进一步可得到AR模型的传递函数和信号功率谱；

传递函数为：

$H_1\left(z\right)=\frac{1}{1+\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}{a}_k{z}^{-k}}---\left(4\right)$

信号的功率谱为：

$X_1\left(f\right)={\sigma }^2|\frac{1}{1+\underset{k=1}{\overset{p}{\Sigma }}{a}_k{e}^{-j2\pi fk}}{|}^2---\left(5\right)$

根据公式(4)求出该功率谱的所有极点i＝1,2,...,P，即该极 点对应的频率点为f_i；该极点对应的频点位置的功率谱即为谱峰位置，表明该频 点附近反射作用强，即悬浮物含量高；利用这些极点可反映液体悬浮物的含量 分布；

对透射信号：

当某一线度的SSC较高时，测量信号将更多的被悬浮物反射，接收到的透 射信号功率谱也会相应减弱，此时在该线度附近透射信号功率谱将会达到一个 谷值。因此，本发明基于Q阶MA模型估计接收到的透射信号的频率响应。

$x_2\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{b}_{k}u(n-k)+u\left(n\right)---\left(6\right)$

其中，x₂(n)是接收到的透射信号，Q是MA模型的阶数，{b_k}，k＝1,2,…,Q 是Q阶MA模型的参数，u(n)是和AR模型一样的高斯白噪声；

通过现有的求解AR模型参数的方法(如改进的协方差方法)也可以求出 MA模型中的参数{b_k}，k＝1,2,…,Q，进一步可得到MA模型的传递函数和信号 功率谱；

传递函数为：

$H_2\left(z\right)=1+\underset{k=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{b}_k{z}^{-k}---\left(7\right)$

信号的功率谱为：

$X_2\left(f\right)={\sigma }^2|1+\underset{k=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{b}_k{e}^{-j2\pi fk}{|}^2---\left(8\right)$

根据公式(7)求出该功率谱的所有零点r＝1,2,...,Q，即该零点 对应的频点为f_r；该零点对应的频点位置的功率谱即为谱谷位置，表明该频点附 近悬浮物含量高，透射过去的声信号少，能量低；利用这些零点可反映液体悬 浮物的含量分布；

步骤5：计算悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布

对反射信号：

利用参考信号功率谱X_ref(f)对接收到的反射信号进行换能补偿，得到补偿了 探头特性的功率谱X′₁(f_i)：

$X_1^{\prime }\left(f_i\right)=\frac{X_1\left(f_i\right)}{X_{ref}\left(f\right)},i=1,2,...,P---\left(9\right)$

其中，i表示经过P阶AR模型进行谱估计得到的第i个极点；

对得到的修正衰减谱X′₁(f_i)进行谱分析，从频率确定相应的悬浮物线度，即 由λ_i＝V_声/f_i得到该频率附近的悬浮物线度的相对大小；同时，从该频率的频谱幅 度确定对应线度SSC的相对分布P_1i：

$P_{1i}=\frac{X_1^{\prime }\left(f_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{P}{\Sigma }}{X}_1^{\prime }\left(f_i\right)}---\left(10\right)$

根据数学建模或经验公式得到具体数值的以接收反射信号求解得到的悬浮 物线度和SSC；

对透射信号：

利用参考信号功率谱X_ref(f)对接收到的透射信号进行换能补偿，得到补偿了 探头特性的功率谱X′₂(f_r)：

$X_2^{\prime }\left(f_r\right)=\frac{X_2\left(f_r\right)}{X_{ref}\left(f\right)},r=1,2,...,Q---\left(11\right)$

其中，r表示经过Q阶MA模型进行谱估计得到的第r个零点；

对得到的修正衰减谱X′₂(f_r)进行谱分析，从频率确定相应的悬浮物线度，即 由λ_r＝V_声/f_r可得该频率附近的悬浮物线度的相对大小；同时，从该频率的频谱 幅度确定对应线度SSC的相对分布P_2r：

$P_{2r}=\frac{X_2^{\prime }\left(f_r\right)}{\underset{r=1}{\overset{Q}{\Sigma }}{X}_2^{\prime }\left(f_r\right)}---\left(12\right)$

由上述谱估计可得到两种分别基于反射信号和透射信号计算得到的悬浮物 线度的相对大小以及SSC的相对分布，根据数学建模或经验公式得到具体数值 的以接收透射信号求得的悬浮物线度和SSC。其中，参考信号的功率谱X_ref(f) 如图2所示，接收到的反射信号和透射信号的功率谱分别如图3、图4所示。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

基于超声功率谱估计的液体悬浮物浓度测量装置，包括操作模块、处理模 块、收发模块、输出模块，以及测量腔，其中

操作模块，与处理模块连接，用于人机交互，根据应用场景选择发射功率、 各个换能器发射和接收所负责的频率范围、以及相应频段信号的初始频率f0i、 调频系数bi和信号时间长度Ti；

处理模块，分别与操作模块、收发模块、输出模块相连，根据操作模块输 入的指令进行数据处理，通过收发模块发出以及接收测量信号的波形和数据， 对接收信号数据进行分析处理得出SSC的测量结果，将结果传输给输出模块输 出；

收发模块，与处理模块相连，位于测量腔内部，负责从数模转换器获取测量 信号发射，以及接收信号传给模数转换器转换；

输出模块，与处理模块相连，用于显示处理模块测量的SSC以及线度分布的 结果，或者将检测结果送给下一个处理系统，让该系统根据检测结果做出相应 的响应；

测量腔是一个封闭的长方体，当超声波被悬浮物反射或散射到测量腔内表面 时测量腔能将其吸收。避免多重反射影响到测量精度。

所述处理模块包括数字处理器、数模转换器及模数转换器，其中数字处理 器根据操作模块的指令产生各段的LFM信号传送给数模转换器；从模数转换器 中获取接收信号的数据进行谱估计、悬浮物线度估计以及SSC测量；然后将测 量的结果传送给输出模块输出；数模转换器和模数转换器充当数字处理器和收 发模块的桥梁，将数字处理器产生的信号数模转换传给收发模块发送，从收发 模块接收信号进行模数转换传给数字处理器处理。

所述收发模块包括发送换能器阵列和接收换能器阵列。

所述测量腔内部采用吸声材料制造。

本发明装置的主要工作流程如下：操作者通过操作模块输入对应的参数， 处理模块根据参数信息产生各段LFM信号，数模转换器转换成发射信号，传送 给发射换能器阵列发射。然后接收换能器阵列接收测量信号，传送给处理模块。 处理模块中的模数转换器将接收信号转换成数字信号传给数字处理器。数字信 号处理器首先滤掉各个换能器负责频率范围外的信号并将滤波后的信号叠加， 然后对信号进行谱估计得到总的衰减谱，再进行悬浮物线度估计以及SSC测量。 最后将测量出来的SSC值以及线度分布值传送给输出模块输出结果。在含有悬 浮物的水中进行测量之前，需要在纯净水中进行相同参数的测量并记录得到的 参考信号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明利用宽频带LFM超声信号构造测量信号，测量信号在液体中传播 时会受到悬浮物的反射和绕射等作用，接收信号相对于测量信号会产生频谱衰 减，基于功率谱估计方法对接收信号进行谱分析，根据衰减频谱估计出液体中 悬浮物线度的相对大小以及浓度的相对分布。其原理如下：

信号在水中传播时，遇到障碍物(即悬浮物)会产生反射和绕射等现象，其 影响取决于悬浮物尺寸。当声信号的波长大于悬浮物粒径尺寸时，大部分声波 能绕过障碍物继续向前传播；当声信号波长和悬浮物尺寸相当时，绕射现象明 显；当声信号的波长小于悬浮物粒径时则声信号受到的悬浮物反射作用增加， 大部分声波会被反射回来。但是一般悬浮物微粒表面不均匀，因此声信号经过 悬浮物表面产生反射和绕射现象的同时也会产生散射现象，即声信号发向各个 方向。与此同时，这些现象的产生会消耗声信号的能量，使声信号的功率谱发 生一定程度的衰减，SSC越高，衰减就越厉害。对接收到的反射和绕射等信号的 衰减功率谱进行谱分析，可得到信号功率谱衰减与悬浮物线度大小以及SSC高 低的关系，进而估算出悬浮物线度的相对大小以及SSC的相对分布，最后利用 经验公式就可以得到具体的数值。

2、本发明为了克服现有测量方法难以在线测量、不能广泛使用以及应用成 本高等不足，本发明利用超声波方向性好、穿透能力强、能量高等特性，使用 宽频带的线性调频信号(以下简称LFM信号)作为测量信号，然后对接收到的 反射信号和透射信号作功率谱估计，进而测量出水体SSC的相对分布并估计出 悬浮物线度的相对大小，简单方便、成本低。

3、本发明采用宽频带LFM信号构造测量信号，利用收发换能器阵列对测量 信号进行发射和接收，使测量信号有近似等幅的幅频特性和超宽频的特点，通 过一次测量就可以得出线度范围相当大的各种悬浮物的浓度。

4、本发明使用方向性好、穿透能力强的超声测量信号，受悬浮物性质和环 境参数的限制小。

5、本发明基于功率谱估计测量SSC，因此可以测量各种成分的悬浮物。

6、本发明测量精度高。随着数字信号处理特别是频谱估计、滤波技术的成 熟，本发明的SSC测量可以达到较高的精度。另外，本发明的测量装置使用吸 声材料，减低了多重反射声信号到达接收换能器阵列对测量结果的影响，进一 步提高精度。

7、本发明成本低廉、可行性强。本发明装置所需的部件都是易于获取的， 相对于光学方法采用的光学设备，本装置成本低廉。另外，本发明所采用的测 量信号LFM信号容易产生，可以通过DSP用软件产生，也可以通过硬件产生。

8、本发明可在线测量SSC以及悬浮物线度的分布，实时监测水质变化。

附图说明

图1-1为本发明使用的测量信号线性调频LFM信号的函数图；

图1-2为本发明使用的测量信号线性调频LFM信号的频谱图；

图2为在纯净水中接收的参考信号的频谱图；

图3为接收反射信号的功率谱示意图；

图4为接收透射信号的功率谱示意图；

图5为本发明的测量方法步骤流程图

图6为本发明测量装置示意图；

图7为本发明收发模块示意图；

图8为本发明测量装置的具体实施过程流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

图6为实现上述装置有线连接的示意图，本装置主要包括操作模块、处理 模块、收发模块和输出模块，各个模块按图6的方式连接。收发模块包括发射 换能阵列和接收换能阵列，分别用于发送测量信号和接收反射、透射信号，阵 列中的每个超声波转换器可以收发不同频率段的超声信号，并且各个频率段可 以是连续的也可以是相隔一定频率的，阵列中超声波转换器的数目根据应用场 景和测量的范围而定。处理模块的数字处理器可以用DSP芯片或者ARM等实 现；数模转换器D/A和模数转换器A/D也可以用DSP芯片实现。

其中，收发模块位于测量腔内，如图7所示。测量腔为一个封闭的长方体， 内部六个面均用吸声材料制作。后侧盖做成可以滑动，用于慢慢滑动封闭测量 腔，以免造成太大的水压影响测量结果。

本发明的工作步骤如图8所示，具体如下：

步骤1：根据测量需要，选取测量信号LFM信号的幅度A(或发射功率)， 并确定测量信号的初始频率f₀，调频系数b以及信号的时间长度T，也即确定了 初始频率和最高频率。根据实际需要，将[f₀,f_n]分成N份，确定阵列中每个换能 器负责的频率范围，进而确定各个换能器发送测量信号的初始频率f_0i、调频系 数b_i和信号时间长度T_i。输入操作参数，系统检测操作模块是否有操作请求， 如果有操作请求则处理模块响应请求保存参数。

应用举例：假设某一水体悬浮物的直径λ_SS约为(0.5mm,1cm)，由于声音在水 中的传播速度V_声约为1500m/s，因此在进行测量SSC时，可先通过f＝V_声/λ_SS确 定f₀以及f_n。在此例中其范围约为[150KHz,3MHz]，可以用6个换能器分段覆 盖这个频率段，这6个换能器分别负责的频率段可以为[100KHz，150KHz)、 [150KHz，300KHz)、[500KHz，700KHz)、[700KHz，900KHz)、[1MHz，2MHz)、 [2MHz，3MHz)。此例中换能器负责的频率段是不完全连续的，根据这些频率 段确定每段LFM信号的初始频率f_0i、调频系数b_i和信号时间长度T_i。

步骤2：通过操作模块输入一个开始测量的信号。

步骤3：处理模块收到开始测量信号则根据输入参数(包括A，各段信号的 初始频率、调频系数、信号时间长度)产生各段LFM信号。

步骤4：将产生的LFM信号传送到数模转换器，转换成模拟信号传送给收 发模块，收发模块通过发送换能器阵列发送测量信号。

步骤5：接收换能器接收测量信号，将信号传送给模数转换器，模数转换器 将转换后的数字信号传送给数字信号处理器处理。

步骤6：数字信号处理器首先滤掉各个换能器负责频率范围外的信号，并将 滤波后的信号叠加，最后对信号进行谱估计得到总的衰减谱。对于图6中左边 接收换能阵列基于P阶AR模型对各个接收换能器接收到的反射信号进行功率 谱估计，右边的接收换能阵列基于Q阶MA模型对各个接收换能器接收到的透 射信号进行功率谱估计。

步骤7：对总的衰减谱，根据前述测量方法计算悬浮物线度的相对大小以及 SSC的相对分布，根据应用需求找出对应经验公式，进而确定各种悬浮物的线 度和对应浓度。

步骤8：将SSC的测量结果(包括线度和对应浓度)传送给输出模块，输 出模块将结果输出。

注：在含有悬浮物的水体中进行正式测量之前，需要先检测收发换能器的 特性，即在纯净水中进行收发信号，所用测量信号以及对测量信号的处理与上 述步骤一样，得到在纯净水中的参考信号功率谱X_ref(f)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。