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        基于欠采樣和ZFFT的流速動態(tài)跟蹤測量方法

        2010-07-25 00:33:30李建立劉紀(jì)元焦學(xué)峰
        關(guān)鍵詞:水速頻帶分辨率

        李建立 ,劉紀(jì)元 ,2,焦學(xué)峰

        (1.沈陽航空工業(yè)學(xué)院,遼寧 沈陽 110136;2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京 100100;3.北京航瑞博泰科技有限公司,北京 100102)

        明渠流量測量中需要測量水速和水深兩個關(guān)鍵參數(shù)。新型的流量計(jì)大多采用超聲波進(jìn)行測量,依據(jù)多普勒原理求解渠中水的速度,并依據(jù)發(fā)射和接收脈沖信號的時間差估計(jì)渠中水的深度。利用帶通欠采樣技術(shù),選擇合適的采樣頻率,可以完全恢復(fù)原信號,同時,可大大降低采樣速率。另外,采用帶通欠采樣技術(shù)測速和測深可以分時利用前端抗混疊帶通濾波器,達(dá)到有效地利用硬件資源,簡化了設(shè)計(jì),節(jié)約了成本。

        但是共用前端帶通抗混疊濾波器,可致使采樣率較高。其原因是:在明渠測深中需要一個寬帶脈沖信號。相對而言,明渠中流速的測量其有效帶寬較窄。所以,抗混疊帶通濾波器的設(shè)計(jì),須按照帶寬較寬的參數(shù)設(shè)計(jì)。除此之外,中心頻率越高,帶通的窄帶性越難做到,這也是導(dǎo)致采樣率較高的原因之一。為了提高測速分辨率,設(shè)計(jì)中引入局部頻帶細(xì)化技術(shù)ZFFT(ZoomFFT),大大提高了速度分辨率。實(shí)現(xiàn)方法為:通過跟蹤水的瞬時動態(tài)流速范圍,確定一個較窄的局部動態(tài)頻帶,通過軟件中設(shè)計(jì)的抽取帶通濾波器對關(guān)注的局部頻帶進(jìn)行選擇和抽取,然后進(jìn)行頻帶的細(xì)化和分析。文中給出了帶通欠采樣技術(shù)下ZFFT實(shí)現(xiàn)的具體過程。事實(shí)證明,這種方法具有計(jì)算量小的特點(diǎn),易于實(shí)現(xiàn),而且可以達(dá)到很高的測量精度。

        1 多普勒測速原理

        多普勒現(xiàn)象:向以相對運(yùn)動的目標(biāo)發(fā)射信號,回波信號的頻率和原來發(fā)射信號頻率不同,產(chǎn)生頻率差,這一現(xiàn)象稱作多普勒現(xiàn)象[1-3]。

        利用這一原理在水中發(fā)射水聲信號,水中運(yùn)動的雜質(zhì)顆粒反射波的頻率,反映了水體的流速。關(guān)系如下:

        式中,φ為換能器安裝角(波束方向與水平面的夾角);c為超聲在水中的傳播速度,常溫下大約1 500 m/s。

        實(shí)驗(yàn)中發(fā)射信號頻率采用1 MHz,水聲換能器與水速的安裝夾角為45°,若認(rèn)為水速 5 m/s時,為實(shí)際水渠的極限值,由式(1)可以反推多普勒頻偏為4.7 kHz。取5 kHz為最大頻偏,且考慮流速的方向性,測速有效帶寬范圍為:0.995 MHz~1.005 MHz。為了提取多普勒信號,本文采用帶通欠采樣的技術(shù)。通過欠采樣把發(fā)射信號的頻率移到低頻的某一對應(yīng)頻率處,如圖1所示A點(diǎn),回波信號頻譜可以存在OA或AB兩個區(qū)內(nèi),回波信號與發(fā)射信號(對應(yīng)位置A點(diǎn))坐標(biāo)差反映了多普勒頻偏。把發(fā)射信號移到中頻位置A點(diǎn),是為了能對流水的方向做判定。

        圖1 多普勒頻率搬移示意圖

        2 帶通欠采樣及其采樣率的確定

        設(shè)信號的頻帶范圍為(f1,f2),f1<f2,若 采樣頻率 fs滿足式(2):

        其中,2<n<[f2/B],符號[]表示取整。 滿足式(2)可保證信號頻譜不發(fā)生混疊及完全可恢復(fù)原信號,這就是帶通采樣定理[4]。實(shí)際應(yīng)用中,信號進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)前,f1代表帶通濾波器的下端截止頻率;f2代表上端截止頻率。B=f2-f1表示帶寬。帶通欠采樣可以采用比傳統(tǒng)技術(shù)低得多的采樣率,表示數(shù)據(jù)采集性能的提高及功耗和成本的降低[5-6]。

        為了降低設(shè)計(jì)成本,測速測深采用分時利用同一抗混疊帶通濾波器。設(shè)計(jì)中采用帶寬B=60 kHz,中心頻率f0=1 MHz,即帶通范圍為 0.97 MHz~1.03 MHz,這樣既可以滿足測速的帶寬需求,又可以滿足測深的帶寬要求。但在測速中,其采樣速率提高了很多。式(2)中,f1=0.97 MHz,f2=1.03 MH,n=10,則 201 kHz<fs<221 kHz,選擇 留有一定的邊界冗余采樣率fs=204 kHz,則經(jīng)欠采樣后,搬移到奈奎斯特第一主頻(15 kHz,25 kHz),若在頻譜分析中 FFT計(jì)算點(diǎn)數(shù)為N=2 048,則頻率分辨率 △f=fs/N=99.6 Hz。代入式(1),速度分辨率=10 cm/s。為了進(jìn)一步提高速度分辨率,還需要在軟件中對數(shù)據(jù)作細(xì)化處理。

        3 動態(tài)跟蹤流速范圍,抽取局部頻帶細(xì)化處理

        明渠流量中水速多普勒頻帶范圍分布(0.995 MHz,1.005 MHz)頻帶內(nèi),其寬度為 10 kHz,然而在某一個時段渠中,水的流速變化對應(yīng)的多普勒頻帶只占據(jù)頻帶上一個很窄的范圍(速度變化是一個連續(xù)的過程,不可能發(fā)生速度值的跳變)。因此可以通過跟蹤水的瞬時動態(tài)流速范圍,確定一個較窄的局部頻帶。通過在軟件中設(shè)計(jì)一個較窄的抽取帶通濾波器選取出這個時段的局部頻帶,使得信號帶寬變窄,采樣速率下降,進(jìn)而可以提高速度分辨率。

        ZFFT技術(shù)關(guān)鍵是局部信號提取,并通過頻譜搬移至低頻,然后利用奈奎斯特采樣定理,就能以很低的采樣率進(jìn)行采樣(對局部頻帶的細(xì)化處理ZFFT技術(shù)可以查閱參考文獻(xiàn)[7-8])。但是在欠采樣下,依據(jù)欠采樣的性質(zhì),可以很好地與ZFFT方法結(jié)合在一起。欠采樣本身具有把頻譜向低頻搬移的特性。因此欠采樣下可以簡化這個步驟,帶通欠采樣下具體實(shí)現(xiàn)頻帶細(xì)化的過程如下:

        (1)首先選擇某一采樣頻率(滿足式(2),且采樣率 fs×N≠1 MHz),目的是在初次測量中,將1 MHz頻率移到中頻,且能判定流速方向。根據(jù)本次測量值的大小選擇抽取帶通濾波器。

        (2)參照閾值。在流速變化過程中,當(dāng)流速測量值超出某個閾值v1,采用臨近較高頻段的帶通進(jìn)行頻帶選取。當(dāng)流速低于某個閾值v2時,采用臨近較低頻段帶通。比如兩個流速范圍劃分A(0,1.3 m/s)和 B(1.0 m/s、2.6 m/s),分別對應(yīng)抽取帶通濾波器 A1和 B1,當(dāng)流速 v大于v1=1.2 m/s時,采用抽取帶通濾波器B1;當(dāng)流速小于v2=1.1 m/s時,采用抽取帶通濾波器A1,對頻帶進(jìn)行抽取(設(shè)置閾值時,v1≠v2)。

        (3)流速范圍劃分后,選擇相應(yīng)的帶通,抽取相應(yīng)的局部頻帶。依據(jù)局部頻帶帶寬,確定重抽樣倍數(shù)D。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重抽樣(如仍做欠采樣,頻譜會被搬移到低頻處,所以欠采樣下ZFFT省去了移頻過程)。

        (4)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析。在上述步驟(2)流速范圍劃分下,對應(yīng)帶寬約1.25 kHz,可以選擇D=64進(jìn)行細(xì)化,這樣得到的頻譜的分辨率=204 kHz/64/2048=1.55 Hz,流速分辨率=1.6 mm/s。(無需頻譜還原,測速只要求解出多普勒頻偏即可)。

        4 兩次欠采樣下流速方向的判定

        對信號進(jìn)行欠采樣,在頻域上是對頻譜進(jìn)行頻譜搬移。0~fs稱作奈奎斯特第一主頻,在頻域0~fs/2內(nèi)的頻譜有兩種可能:(1)正向頻譜的搬移;(2)負(fù)向頻譜的搬移,兩種搬移流速方向判定相反。

        欠采樣的頻率選擇:式(2)中,若取 n為偶數(shù),則頻帶[0,fs/2]為負(fù)向頻帶頻譜搬移;若 n取奇數(shù),[0~fs/2]為正向頻譜搬移,如圖2所示。

        設(shè)計(jì)中兩次用到欠采樣,最終的流速方向由兩次欠采樣共同決定。具體關(guān)系如表1所示。

        在0~fs/2為正向頻譜搬移,若回波信號頻率變大則流速方向?yàn)檎蛳驌Q能器流動;變小則方向相反。

        在0~fs/2為負(fù)向頻譜搬移,若回波信號頻率變大則流速方向?yàn)槟嫦蛳驌Q能器流動;變小則方向相反。

        表1 兩次欠采樣后的頻譜搬移特性

        根據(jù)兩次欠采樣中n的奇偶性,判斷(0,fs/2)頻段內(nèi)頻譜是正向頻譜搬移或是負(fù)向頻譜搬移,進(jìn)而可判斷流速的方向。

        5 在DSP平臺上的流速測試實(shí)驗(yàn)

        (1)水的流速范圍分成 A(0,1.3 m/s)、B(1.0 m/s,2.6 m/s)、C(2.3 m/s,3.9 m/s),并設(shè) 計(jì)相 應(yīng)頻帶的抽取帶 通濾波器及相應(yīng)的閾值。

        (2)發(fā)射信號為 1 MHz正弦波;水溫 25℃;含沙量約5%;換能器與水平夾角45°(迎水安裝)。測試水速在1.0 m/s以下,對應(yīng)流速范圍為0,1.3 m/s,相應(yīng)抽取帶通濾波器設(shè) 計(jì) 參 數(shù) 為 20 kHz/204 kHz×2,18.75 kHz/204 kHz×2。帶入 式(2),取 n=13 則 2.85 kHz<fs<3.26 kHz,取 fs=204 kHz/64=3.18 kHz作為重采樣后的最終頻率,此時分辨率為:204 kHz/64/2048=1.5 Hz,對應(yīng)測速分辨率為1.6 mm/s(其他流速范圍的抽取帶通濾波器設(shè)計(jì)方法相同)。

        (3)理論發(fā)射1 MHz信號經(jīng)采樣率fs=3.18 kHz(兩次欠采樣后的采樣率)采樣后,得到1.91 kHz余頻。經(jīng)計(jì)算占2 048個譜線的第1 228.6根線譜,由于柵欄效應(yīng)的存在,可計(jì)算在第1 229根譜線有最大幅度譜。又因?yàn)榈? 229根譜線在負(fù)頻率軸,故在(0,fs/2)內(nèi)占據(jù) 1 024-(1 229-1 024)=819根譜線位置。

        (4)由第 1次欠采樣 n=10,第 2次欠采樣 n=13,由表1得知為負(fù)向頻譜搬移。所以,如果多普勒回波信號頻率大于1 MHz,譜線應(yīng)該出現(xiàn)在其左側(cè),即譜線出現(xiàn)在小于819位置上。

        (5)流速范圍在(0,1.3 m/s)的計(jì)算方法:

        (819-X)×1.6 mm/s。X表示譜線的加權(quán)均值。

        實(shí)驗(yàn)1水靜止條件下測得數(shù)據(jù)

        水靜止條件下,測得回波信號及其頻率,如圖3、圖4所示。

        數(shù)據(jù)分析:水靜止條件下,反射回波信號不存在多普勒現(xiàn)象。如圖4所示,頻譜分析后譜線在第819根譜線位置出現(xiàn),測試數(shù)據(jù)結(jié)果和上述理論分析一致。

        第819根譜線位置作為基頻參考位置,多普勒信號FFT分析后譜線位置于此的差值d(819-719),乘以頻率分辨率,即可估計(jì)出多普勒頻偏。例如:回波信號在719有峰值,則對應(yīng)的頻偏為:(819-719)×1.5=150 Hz

        對應(yīng)水的流速:(819-719)×1.6 mm/s=16 cm/s

        實(shí)驗(yàn)2一定流速下測量數(shù)據(jù)

        水速約 62.5 cm/s,測得數(shù)據(jù)如圖 5、圖 6所示。

        經(jīng)過加權(quán)平均后可得本次的流速為61.76 cm/s。

        多次測量求均值,測試結(jié)果如表2所示。

        表2 三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(cm/s)

        誤差:0.54 cm/s。水速方向:向換能器流動。

        從實(shí)驗(yàn)1可知,理論值和文中提到的動態(tài)跟蹤測量方法、精度達(dá)到一致。流速分辨率完全可以滿足工程要求,且計(jì)算復(fù)雜度小。實(shí)驗(yàn)2的數(shù)據(jù)表明,實(shí)驗(yàn)值和真實(shí)值之間的波動在允許的范圍2 cm/s內(nèi)。滿足工程需求。

        設(shè)計(jì)中利用欠采樣的性質(zhì),對多普勒信號進(jìn)行提取和估計(jì),在多普勒信號的提取中充當(dāng)著混頻器的作用;在基于局部頻帶細(xì)化過程中起到了頻譜搬移的作用。為了判定流速方向,把發(fā)射信號頻率調(diào)到中頻,可以根據(jù)欠采樣性質(zhì)判定流速方向。測量過程中一旦流速方向和流速范圍確定,可以根據(jù)事先設(shè)置的流速閾值選擇相應(yīng)頻段的抽取帶通濾波器,對相應(yīng)局部的頻帶進(jìn)行選擇抽取,進(jìn)而做細(xì)化處理分析(欠采樣下的ZFFT)。事實(shí)證明,這種方法大大提高了流速分辨率,而且可測流速范圍也較寬。

        [1]張羽,汪源源,王威琪.超聲多普勒信號平均頻率估計(jì)方法的比較研究[J].聲學(xué)技術(shù),2000,19(3):127-129.

        [2]孫興亮.多普勒測速技術(shù)—信號處理技術(shù)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2005.

        [3]陳方明,王浩.Doppler測速系統(tǒng)初速度的一種快速算法[J].國外電子測量技術(shù),2005,24(7):41-43.

        [4]張睿.帶通欠采樣技術(shù)在軟件接收機(jī)中的應(yīng)用[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,27(3):327-328.

        [5]周良將,梁興東,丁赤飚.高精度相位特性測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量與儀器學(xué)報.2009:193-194.

        [6]李慧光.欠采樣頻率的選取[J].傳感技術(shù)學(xué)報,1998,12(4):16-19.

        [7]丁康,謝明,張彼德,等.基于復(fù)解析帶通濾波器的復(fù)調(diào)制細(xì)化譜分析原理和方法 [J].振動工程學(xué)報,2001,14(1):30-35.

        [8]羅守男.基于超聲多普勒方法的管道流量測量研究[D].北京:清華大學(xué),2004.

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