摘要：本文針對目前市場上超聲波多普勒流量計(jì)存在的測量精度低、穩(wěn)定度差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，尤其在低流速情況下的誤差較大等問題開展了相關(guān)研究，文中主要從硬件電路設(shè)計(jì)及多普勒頻移信號處理方法兩個(gè)方向著手，提出了解決方案。在系統(tǒng)硬件電路中使用高精度DDS芯片產(chǎn)生基準(zhǔn)信號，采用中頻解調(diào)技術(shù)將頻移信號解調(diào)到10kHZ，結(jié)合與超聲探頭相匹配的發(fā)射和接收等電路，提高了系統(tǒng)測量的穩(wěn)定度以及對流速變化的響應(yīng)速度；在頻移信號處理方面，采用復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化算法（ZOOM-FFT）對DSP采集的頻移信號進(jìn)行頻譜分析，提高了系統(tǒng)在低流速下的測量準(zhǔn)確度。結(jié)果表明，文中所采用的ZFFT算法對于超聲多普勒信號的頻率分辨率達(dá)到3HZ，可清晰的區(qū)分10HZ的頻偏信息，較FFT算法明顯提高了超聲波流量測量系統(tǒng)的測量精度。
0引言
超聲波流量計(jì)是一種非接觸式流量計(jì)量儀表，它被廣泛的應(yīng)用在石油、化工及日常生活中的方方面面。在超聲波流量計(jì)中多普勒法是其中的重要一種，它適用于測量混合介質(zhì)流體流量。超聲波多普勒流量計(jì)通常由超聲波傳感器，超聲波發(fā)射和接收裝置以及信號處理系統(tǒng)三部分組成。其中，信號處理系統(tǒng)是對接收到的微弱信號進(jìn)行一系列模擬和數(shù)字方式的處理，從而分析出測量管段中流體的流量。目前，市場上的超聲波多普勒流量計(jì)產(chǎn)品很多，它們對于多普勒頻移信號的處理大多數(shù)都是采用模擬濾波、頻率轉(zhuǎn)電壓、整形計(jì)數(shù)或者是簡單的傅里葉變換（FFT）等方式。
因此，它們普遍存在著測量穩(wěn)定性差、精度低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等問題，尤其是在低流速管道流量測量時(shí)，測量結(jié)果偏差較大，甚至沒有參考性。
針對超聲波流量計(jì)存在的上述問題，本文從硬件電路和信號處理方法兩方面進(jìn)行了研究。在硬件上對微弱的多普勒回波信號進(jìn)行了多級放大、濾波、解調(diào)等處理，從而將回波信號調(diào)整在10kHz的頻帶上，提高了系統(tǒng)對于流量變化的響應(yīng)速度。文中使用數(shù)字信號處理器（DSP）對調(diào)理后的多普勒頻移信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將得到的數(shù)字序列進(jìn)行復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化（ZOOM-FFT）運(yùn)算及相應(yīng)的數(shù)字濾波，提高了多普勒頻移信號的頻譜分辨率，從而提高了流量的分辨率。
1超聲波多普勒流量測量原理
聲學(xué)中，當(dāng)聲源與觀察者相對于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，或兩者同時(shí)相對于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率與聲源發(fā)出的頻率不同。當(dāng)聲源與觀察者之間的距離隨時(shí)間縮短時(shí)接收到的頻率高于聲源發(fā)出的頻率；反之，接收到的頻率低于聲源頻率。聲源發(fā)出的頻率與觀察者聽到的頻率之間的頻率差稱為多普勒頻移，它的大小取決于兩者之間的相對運(yùn)動(dòng)速度，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。
在利用超聲波多普勒法測量時(shí)，超聲波傳感器的激勵(lì)方式主要有兩種分別為：單載頻脈沖波激勵(lì)，連續(xù)正弦波激勵(lì)。本文中采用連續(xù)正弦波信號激勵(lì)方式，用一對斜探頭垂直對稱安裝在管道外側(cè)（如圖1所示），發(fā)射探頭產(chǎn)生的連續(xù)波超聲信號經(jīng)聲楔和管壁進(jìn)入運(yùn)動(dòng)中的流體，并被隨流體一起運(yùn)動(dòng)的固體懸浮顆粒、氣泡等可以散射超聲波信號的物質(zhì)散射而進(jìn)入接收探頭。通過測定流體中運(yùn)動(dòng)粒子散射聲波的多普勒頻移，完成流量檢測。
超聲波多普勒流量測量示意圖如圖1所示，超聲波在被測流體中的傳播速度為c，u為懸浮顆粒在流體中的流速，β為超聲波束在管壁中的入射角，α為聲楔的角度，f1為超聲波的發(fā)射頻率，f2為接受的超聲波信號的頻率，Δf為多普勒頻移，其中θ為超聲波在流體中的傳播方向角度。

2多普勒超聲波流量計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
多普勒流量計(jì)硬件系統(tǒng)主要是完成對超聲波信號的發(fā)射、接收和相關(guān)處理，以及對流量計(jì)外部設(shè)備的控制等，系統(tǒng)框圖如圖2所示。本文采用一對中心頻率在640kHz的*分別作為發(fā)射和接收探頭，利用頻率為640kHz的連續(xù)正弦波驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射電路使其在管道中發(fā)射超聲波。接收端采用選頻放大電路接收超聲回波信號，再經(jīng)過解調(diào)電路將多普勒頻移信號解調(diào)到中頻10kHZ上。DSP芯片對解調(diào)后的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后利用選帶頻譜細(xì)化ZOOM-FFT算法的獲取到多普勒頻率偏移量。在進(jìn)入A/D之前必須經(jīng)過抗混疊濾波以避免在模擬輸入信號上疊加周期或者非周期的干擾信號，從而附加到量化值中，給有用信號帶來一定的干擾。本文中的DSP芯片選用的是TI公司的TMS320x2812，它不僅完成了上述任務(wù)，還對系統(tǒng)的液晶顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等進(jìn)行了控制。

本文設(shè)計(jì)中發(fā)射及解調(diào)的基準(zhǔn)信號都是通過DDS芯片產(chǎn)生的，它可以穩(wěn)定地輸出單一頻率的正弦波和方波波形，從而降低了由于發(fā)射信號及解調(diào)參考信號頻率抖動(dòng)對于多普勒頻移信號的影響。由于DDS產(chǎn)生的640kHz正弦波幅度較小、功率較低，而管道和流體會對超聲信號進(jìn)行衰減，所以要將DDS產(chǎn)生的正弦波通過超聲波信號發(fā)射電路進(jìn)行一定程度的幅度和功率放大。超聲波信號發(fā)射電路還有一項(xiàng)重要工作就是與*電學(xué)匹配，只有在匹配情況下?lián)Q能器才能zui大效率的向流體中發(fā)射超聲波。
由于換能器的發(fā)射信號在經(jīng)過傳感器和管道、介質(zhì)等的衰減之后，到達(dá)接收端是一個(gè)微弱信號，而此微弱信號中包含著流體流動(dòng)的信息，所以回波接收電路的好壞對于流量計(jì)的性能有著重要的影響。本文所設(shè)計(jì)的回波信號接收電路包括兩部分，選頻放大電路和低噪聲前置放大電路。選頻放大電路對接收探頭接收的微弱信號進(jìn)行一定程度的頻率選擇和放大，濾除發(fā)射頻率一定范圍外的噪聲，并且在不超過解調(diào)電路允許的電壓范圍內(nèi)提高信號的幅度，以利于后期信號處理。低噪聲前置放大電路對接收到的超聲回波信號進(jìn)行二次放大，同時(shí)將接收到的信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出，以滿足解調(diào)電路對信號幅度等的要求。
在采用頻譜分析技術(shù)計(jì)算多普勒頻移時(shí)，如果直接對接收到的高頻信號進(jìn)行頻譜分析會存在兩方面的問題：（1）需要較高的采樣率；（2）頻率分辨率在高采樣率的情況下，要獲得較高的頻率分辨率需要采樣點(diǎn)數(shù)足夠大，對存儲空間的要求較高且計(jì)算量大[7]。所以本設(shè)計(jì)將回波信號*行解調(diào)，然后再進(jìn)行頻譜分析。對于信號解調(diào)，通常都是將信號解調(diào)到直流0Hz上，但這樣易受電源及其他低頻噪聲的干擾，使頻譜分析出來的結(jié)果不能準(zhǔn)確表征管道內(nèi)的流體流動(dòng)。將信號解調(diào)到0Hz上還有一個(gè)問題，那就是在低流速情況下，要準(zhǔn)確分析出多普勒頻移量就要延長信號采集時(shí)間，從而降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此，本設(shè)計(jì)采用了外差法進(jìn)行解調(diào)，它是通過將回波信號與一個(gè)非載波頻率信號（設(shè)計(jì)中采用2.52MHz的方波信號，經(jīng)過解調(diào)芯片內(nèi)部的4分頻后為630kHz）進(jìn)行相干解調(diào)，將信號解調(diào)到10kHz，從而將多普勒頻移解調(diào)在差頻信號上，這樣就得到了一個(gè)包含流體流動(dòng)的流速信息和方向信息的低頻信號。
解調(diào)后的信號需要經(jīng)過調(diào)理后才能進(jìn)入DSP的ADC模塊。信號調(diào)理主要是對解調(diào)芯片的輸出信號進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換、低通濾波以及信號抬升，以滿足后續(xù)信號處理的要求。
3多普勒頻移信號處理方法
在超聲波多普勒流量測量技術(shù)中，多普勒頻移信號處理方法直接影響著測量系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)有多普勒流量計(jì)產(chǎn)品中，對于頻移信號的處理方法大致分為整形計(jì)數(shù)、頻率轉(zhuǎn)電壓和頻譜分析三類，總體來說，前兩種方法在系統(tǒng)穩(wěn)定性、測量準(zhǔn)確度等方面都不如頻譜分析法。頻譜分析能夠揭示多普勒頻移信號的特征和動(dòng)態(tài)信息，頻譜分析法分為傳統(tǒng)的傅立葉頻譜分析法和現(xiàn)代譜估計(jì)法，現(xiàn)在市場上的超聲流量計(jì)產(chǎn)品基本上都是采用傅里葉頻譜分析法（FFT），此方法較適用于周期平穩(wěn)信號，是一種忽略局部信息變化的全局分析方法。在多普勒流量測量中，頻移信號是一個(gè)密集型頻譜信號，為準(zhǔn)確計(jì)算出管道內(nèi)流體流速（尤其在低流速情況下），就必須提高信號的頻譜分辨率。在采用FFT進(jìn)行頻譜分析時(shí)，由于頻率分辨率為Δf=fs/N所以只能通過降低采樣速率和增加采樣點(diǎn)數(shù)來實(shí)現(xiàn)了，但這樣將會增大微處理器的計(jì)算量，影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文采用復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化方法（ZOOM-FFT）對多普勒頻移信號進(jìn)行處理，它是一種更為有效的動(dòng)態(tài)信號分析方法，ZOOM-FFT法不管從分辨率、計(jì)算量、實(shí)時(shí)性等方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)傅里葉頻譜分析法。
3.1ZOOM-FFT頻譜細(xì)化算法
復(fù)調(diào)制ZOOM-FFT算法能以的、足夠高的采樣頻率分析任意頻段內(nèi)信號的頻譜結(jié)構(gòu)。在序列變換點(diǎn)數(shù)相同的情況下，ZOOM-FFT能獲得更高的頻率分辨率，在相同的頻率分辨率下，它比基帶FFT需要更少的傅立葉變換點(diǎn)數(shù)，因此ZOOM-FFT非常適用于要求大頻率分析范圍、高頻率分辨率和少變換點(diǎn)數(shù)的場合。
 

模擬信號x（t），經(jīng)過抗混疊濾波之后進(jìn)行A/D采集得到時(shí)間采樣序列x（n），fs為采樣頻率，fe為需要細(xì)化的中心頻率，細(xì)化倍數(shù)為D。復(fù)解析帶通濾波器的帶通寬度為fs/D,隔D點(diǎn)選抽一點(diǎn)，移頻和做N點(diǎn)譜分析，頻帶（fl~f2）用N條獨(dú)立譜線表示。具體算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
（1）復(fù)調(diào)制移頻;所謂復(fù)調(diào)制移頻就是對原始信號的頻域進(jìn)行向左或向右的搬移，根據(jù)離散傅立葉變換的頻移性質(zhì)，x.（n）為A/D采集后的離散信號，

（2）低通濾波；復(fù)調(diào)制頻移之后，為了避免后續(xù)重采樣后的信號發(fā)生頻率混疊，通過低通濾波將包含中心頻率和多普勒頻移信號有用頻段信息保留下來，需要確定細(xì)化倍數(shù)D，并且設(shè)置低通濾波器的截止頻率為fs/2D，低通后的輸出用式Y(jié)（K）=X（K）H（K）表示，H（K）表示理想低通濾波器的頻率響應(yīng)，在時(shí)域則通過下式表示：

3.2算法的仿真與驗(yàn)證
對于木系統(tǒng)中解調(diào)后得到的10kHz中頻上的信號，選擇中心頻率為10KIIZ，采樣頻率為50KHZ，進(jìn)行4096點(diǎn)的FFT和ZFFT算法進(jìn)行仿真比較。圖4表示直接進(jìn)行4096點(diǎn)的FFT頻譜圖;圖5為進(jìn)行細(xì)化倍數(shù)D=4,fft點(diǎn)數(shù)為4096的細(xì)化后的頻譜。

由于頻偏成分與中心頻率之間的頻率間隔為100HZ，通過圖5可看出，直接進(jìn)行FFT顯然很難分辨出中心頻率和頻率偏移，它的頻譜分辨率為fs/N=12HZ，通過調(diào)整細(xì)化倍數(shù)mD2=
（細(xì)化倍數(shù)為2的整數(shù)倍）來改變頻譜分辨率，細(xì)化4倍后頻譜分辨率可達(dá)到3HZ，通過對比可得出，ZOOM-FFT算法不但頻譜分辨率得到了提高，而且算法的穩(wěn)定性好，能夠有
效的提高信號檢測的準(zhǔn)確性。在超聲多普勒流量計(jì)的研制中，局部頻譜細(xì)化的應(yīng)用有利于后期譜峰搜索范圍的減小及計(jì)算流速的性。
4結(jié)束語
在研究了超聲波多普勒流量測量理論的基礎(chǔ)上，針對目前多普勒超聲波流量計(jì)存在的穩(wěn)定性差、靈敏度低、測量誤差大等問題，本文從硬件電路設(shè)計(jì)和信號處理方法兩方面改進(jìn)了多普勒流量計(jì)的性能。主要的改進(jìn)包括：
（1）采用*的DDS芯片產(chǎn)生超聲發(fā)射電路及解調(diào)電路中的基準(zhǔn)信號。DDS芯片輸出具有高精度、高穩(wěn)定度的特點(diǎn)，它可以很好的解決由于溫度等變化引起的基準(zhǔn)信號抖動(dòng)，降低了基準(zhǔn)信號變化對于多普勒頻移信號的影響。
（2）中頻解調(diào)技術(shù)。通過解調(diào)芯片將多普勒頻移信號解調(diào)在10kHz的頻帶上，提高了在頻譜分析點(diǎn)數(shù)一定的情況時(shí)系統(tǒng)的靈敏度。
（3）在DSP芯片中使用復(fù)調(diào)制頻譜細(xì)化算法（ZOOM-FFT）對多普勒頻移信號進(jìn)行頻譜分析。ZOOM-FFT算法有效地提高多普勒頻移信號的頻率分辨率，并減小了DSP的計(jì)算量，解決了多普勒流量測量系統(tǒng)的測量度及低流速情況下的測量準(zhǔn)確性。