专利名称：一种基于线性调频信号的空间介质流速测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及线性调频测量技术，具体涉及一种利用线性调频(LFM)技术构造测量信号，通过发射及接收线性调频(LFM)信号来进行指定区域内的三维介质流速的测量
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背景技术：
科技的日益发展，行业需求日益增加，介质流速的测量越来越成为人们关注的热点。随着近代流体力学和空气动力学的发展，特别是对多种复杂流动现象(包括紊流的形成、漩涡、激波干扰等)深入研究的需要，精确地测量和显示这些复杂流动现象就显得十分重要与迫切。这些复杂的流动现象一般是三维的、非周期性的，并具有异常复杂的空间结构和非定常特性，对干扰极为敏感。受其影响，三维介质流速的测量要求高，难度大。往往需要进行非接触测量以及使用高精度的显示技术才能获得精确的测量结果。另外，由于近年来对海洋资源的开发越来越成熟，针对地球上海洋面积为陆地面积两倍多的客观情况，水下测量技术日益增多，如船舰导航，潜艇追踪，鱼雷制导等等。但水下压力、介质以及环境的复杂性，导致水下速度测量难以方便进行，可以水陆两用的介质流速测量方法更是少之又少，因此对研究适用的流体测速方法尤为迫切。目前比较常用的介质流速测量方法主要有:空气动力测速法、热线测速法和激光测速法等。空气动力测速法主要用来测量二元流的速度和方向，使用不转动风速管进行测量，对气流的变化特别敏感。热线测速法可以使用热线或热膜进行测量，但热线稳定性差，只能用于气体，热膜可以适应于气体和液体，但造价高昂。激光测速技术则利用激光中的微粒感知来测量介质流速，但设备较为复杂，若在水下环境，光的传播衰减大，该方法难以在水中实现。线性调频信号是应用极为广泛的一种信号体制，输入信号的频率随时间成线性变化，其多普勒影响较�。哂泻茉兜淖饔镁嗬牒透叩木嗬敕直媛�。由于线性调频信号在空气以及水中的衰减相对都较�。虼丝梢岳孟咝缘髌敌藕哦越橹柿魉俳胁饬俊Ｄ壳耙恍┎饬糠椒ㄖ饕钦攵怨艿懒魈褰橹剩贸衅髡罅校褂米允视Φ牟ㄊ惴ɡ床饬克俣�(CN200480006749.9);或根据流体介质的流动特征，分割流体路径然后各自构建函数对速度进行测量(CN200510059972.9)。这些方法会使整个测量结构复杂化，而且测量方向单一，计算量大，不能很好地解决问题。本实用新型基于线性调频的三维介质流速测量方法与装置，不仅可以测量三维空间上各个方向的速度，而且设计简单，抗干扰能力强，所需的运算量很�。芄焕眉虻サ纳璞妇凡饬砍鼋橹柿魉佟Ａ硗猓臼涤眯滦吞岢龅牟饬糠椒ㄒ彩视糜谒禄肪�。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，简化目前介质流速测量方法的复杂性，解决难以适应水下环境的问题，提供一种基于线性调频信号的空间介质流速测量装置。该装置利用线性调频信 号构建测量信号，通过换能器变换及收发，计算出传播时间，从而推导介质流动速度。本实用新型的测量信号容易产生和收发，并且测量精度高，抗干扰能力强，可通过以下技术方案实现。基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其包括操作�？�、处理�？�、输出显示�？椤⒎⑸淠？楹徒邮漳？椋凰霾僮髂？橛氪砟？楹褪涑鱿允灸？榱樱饕糜谌嘶换ィ萦τ没肪车牟煌≡穹⑺托藕诺闹行钠德�、调频斜率和信号时间长度参数，并调节发射�？榉⑺托藕诺拇问徒邮漳？榈钠德史段В凰龃砟？榉直鹩氩僮髂？�、输出显示�？椤⒎⑸淠？榧敖邮漳？橄嗔砟？橹饕ㄊ中藕糯砥�、模数转换器和数模转换器；处理�？楦莶僮髂？槭淙氲闹噶罱惺荽恚ü⑸淠？榉⒊龊徒邮漳？榻邮詹饬肯咝缘髌敌藕诺牟ㄐ魏褪荩üＪ黄髦谢袢〗邮招藕诺氖荩越邮招藕攀萁蟹治龃淼贸鼋橹柿魉俚牟饬拷峁⒔峁涞绞涑鱿允灸？椋渲惺中藕糯砥鞲莶僮髂？榈闹噶畈煌南咝缘髌敌藕糯透Ｗ黄鳎荒Ｊ黄髯魑中藕糯砥骱徒邮漳？榈牧忧帕海Ｗ黄髯魑中藕糯砥骱头⑸淠？榈牧忧帕海Ｗ黄鹘执砥鞑男藕沤惺Ｗ缓蟾⑸淠？榉⑺停Ｊ黄鞔咏邮漳？榻邮招藕沤心Ｊ淮蟾中藕糯砥鞔怼＝徊降模鼋邮漳？榘ń邮栈荒芷鳎龇⑸淠？榘ǚ⑺突荒芷鳎⑺突荒芷鞲涸鸫哟砟？橹械氖Ｗ黄骰袢》⑸湫藕欧⑸洌邮栈荒芷鹘邮招藕糯透砟？橹械哪Ｊ黄�。进一步的，还包括测量架，测量架为空心的非封闭正方体硬质架，硬质架任意相对的两个面中，均有一个面布置有发送换能器，另一个面布置有接收换能器。进一步的，所述输出显示模块包括电脑显示屏和输出接口，电脑显示屏作为直接的显示和监测工具，为操作者提供实时的指令执行情况、各个过程的数字信号处理情况以及测量结果；输出接口 用于将测量结果输出到其他外接设备或系统。上述实用新型通过采用发送已知线性调频信号，对接收到的线性调频信号参数进行检测，从而确定信号在介质中传播时间的方法，精确测量出介质流速经过规定路径的时间，然后通过速度时间的物理方法精确求解出介质流动速度，实现了介质流速在三维空间内的速度测量。上述装置的主要工作流程如下:操作者通过操纵�？槭淙攵杂Φ牟问砟？楦菔淙氲牟问畔⒉鞲鱿咝缘髌敌藕牛Ｗ黄髯怀煞⑸湫藕牛褪辗⒛？橹械姆制灯鳎菹咝缘髌敌藕诺牟煌德蚀透鞲龇⑸浠荒芷鞣⑸�。接着各个接收换能器接收到对应的接收测量信号，传送给处理�？�。处理�？橹械哪Ｊ黄鹘邮招藕抛怀墒中藕糯中藕糯砥�。数字信号处理器将各个接收换能器的接收信号进行参数估计，滤除噪声信号，再进行数据换算，对介质流速进行测量。最后将测量出来的介质流动速度值传送给输出显示�？橄允静⑹涑鼋峁�。上述基于线性调频信号的空间介质流速测量装置的测量方法包括如下步骤:第一，在流体介质中一确定方向(如水平方向)上发送一个线性调频信号，并预先设定该线性调频信号的各个参数；第二，在与所述确定方向同一方向上，从设定空间内接收所发射的线性调频信号；第三，测得初始多普勒频移值，将接收到的线性调频信号与考虑了多普勒频移的初始信号的共轭进行乘积，通过数字信号处理方法及运算得出信号从发射到接收的时间值；第四，利用求得的时间值与流体介质没有流动时的理论时间值进行比较，即能精确计算出所述方向上的介质流动速度；通过任改变第一步骤中的方向，能得到流体介质在相应方向上的流动速度。进一步的，对于三维流体介质，在三维空间内构建一个直角坐标系，则空间内任意方向上的介质流动速度，通过所述第一至第四步骤得到三个直角坐标轴方向上的分速度，然后利用速度矢量的几何计算，得到任意方向上的三维介质流速。进一步的，在流体介质的一维流动方向上，设置相隔距离为L的一个发射模块和一个接收�？椋直鹩糜谙咝缘髌敌藕诺姆⑺秃徒邮眨挥捎谙咝缘髌敌藕乓陨粜问酱ィ试诰仓菇橹手械拇ニ俣任潭ㄖ礦p若介质静止，发收端线性调频信号的传播时间为:
权利要求1.基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其特征在于包括操作�？�、处理�？�、输出显示�？�、发射�？楹徒邮漳？椋� 所述操作�？橛氪砟？楹褪涑鱿允灸？榱樱饕糜谌嘶换ィ萦τ没肪车牟煌≡穹⑺托藕诺闹行钠德�、调频斜率和信号时间长度参数，并调节发射�？榉⑺托藕诺拇问徒邮漳？榈钠德史段В� 所述处理�？榉直鹩氩僮髂？�、输出显示�？椤⒎⑸淠？榧敖邮漳？橄嗔砟？橹饕ㄊ中藕糯砥�、模数转换器和数模转换器；模数转换器作为数字信号处理器和接收模块的连接桥梁，数模转换器作为数字信号处理器和发射�？榈牧忧帕骸�
2.根据权利要求1所述的基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其特征在于所述接收模块包括接收换能器，所述发射�？榘ǚ⑺突荒芷鳎⑺突荒芷鞲涸鸫哟砟？橹械氖Ｗ黄骰袢》⑸湫藕欧⑸洌邮栈荒芷鹘邮招藕糯透砟？橹械哪Ｊ黄�。
3.根据权利要求2所述的基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其特征在于还包括测量架，测量架为空心的非封闭正方体硬质架，硬质架任意相对的两个面中，均有一个面布置有发送换能器，另一个面布置有接收换能器。
4.根据权利要求3所述的基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，其特征在于所述输出显示�？榘ǖ缒韵允酒梁褪涑鼋涌冢缒韵允酒磷魑苯拥南允竞图嗖夤ぞ撸僮髡咛峁┦凳钡闹噶钪葱星榭�、各个过程的数字信号处理情况以及测量结果；输出接口用于将测量结果输 出到其他外接设备或系统。
专利摘要本实用新型公开了一种基于线性调频信号的空间介质流速测量装置，所述装置包括操作�？�、处理模块、输出显示模块、发射�？楹徒邮漳？椋凰龃砟？榉直鹩氩僮髂？�、输出显示�？�、发射�？榧敖邮漳？橄嗔１臼涤眯滦筒饬烤雀撸垢扇拍芰η浚怂懔康停爸媒峁辜虻ヒ子茫杀镜土�。
文档编号G01P5/22GK203117221SQ20122062969
公开日2013年8月7日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者宁更新, 李鉴通, 韦岗, 季飞 申请人:华南理工大学
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