用于起伏界面的mimo稀疏阵列的超声测量方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了基于MIMO稀疏阵元的编码信号发射的两种超声测量方法及系统，属于超声测量【技术领域】，用于测量类似波动液位、积雪深度这样的不规则起伏界面，有效提高了起伏界面情况下距离测量的准确性。本发明利用稀疏阵列对起伏界面从不同角度进行超声测量，采用了两种发射信号模式：分时发射模式和同时发射模式。这两种发射模式都由稀疏阵列发射信号，实现信号的通道分离后，进行波束形成处理。本发明能够有效的区分不同虚拟阵元的回波信号，有利于进行波束形成处理，提高起伏界面距离测量的准确度，另外，采用同时发射信号模式可以应用到起伏界面快速变化的测量中，避免由起伏界面的快速变化而产生距离模糊，从而提高测量的准确性。
【专利说明】用于起伏界面的MIMO稀疏阵列的超声测量方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于超声测量【技术领域】，尤其是涉及两种用于测量波动液位、积雪深度等起伏界面的MMO稀疏阵列的超声测量方法及能够实现这些方法的测量系统。
【背景技术】
[0002]超声测量是一种高性价比的测量方法，广泛应用于各行各业。例如在气象领域，能够借助超声液位测量实现降雨量和蒸发量的测量，借助超声距离测量实现积雪深度的测量。然而，在用超声测量方法获取这些气象要素的同时，由于液位的波动或界面的起伏，传统的点超声测量方 法很可能产生较大的测量误差。
[0003]为了减少在这些应用中的测量误差，一个简单的办法是用空间采样，然后进行空间采样平均。相控阵扫描方法是其中的一种方法，但是该方法需要的通道数较大，系统成本较高，因而不能被广泛采用。超声测量方法在渡越时间(TOF)估计、发射信号、回波信号处理等方面被加以研究，并取得一定的进展。在TOF估计方面,2006年Angrisani L等在((IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement))上发表的((Ultrasonictime-of-flight eatimation through unscented kalman filter》，利用无损卡尔曼滤波处理超声回波信号，得到回波信号的包络线，同离散扩展卡尔曼滤波相比，TOF估计精度得到提高的同时减少了计算量；在发射信号方面，2010年臧怀刚等在《传感器与仪器仪表》上发表的《应用线性调频信号的智能超声液位仪》，将线性调频波应用到超声液位测量中，并结合匹配滤波技术提高液位测量的准确性；在回波信号处理方面，2011年黄新建等在《水文》上发表的《提高气介式超声波水位计测量精度的探讨》，利用数字采样技术补偿超声波的回波前沿，提高降雨量测量的准确性。然而，以上方法主要由一个或两个超声换能器组成，为单通道探测系统，这些传统方法仅估计整个液位的一个定点的距离值，对于起伏界面的距离测量，以上方法都容易产生较大的测量误差，目前，尚缺乏一种更为精确的针对起伏界面的超声测量方法。
【发明内容】
[0004]为解决上述问题，本发明公开了两种基于MMO稀疏阵元的编码信号发射的超声测量方法及能够实现这些方法的超声测量系统，用于测量类似波动液位、积雪深度这样的不规则起伏界面，有效提高了起伏界面情况下距离测量的准确性。
[0005]为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0006]一种用于起伏界面的MMO稀疏阵列的超声测量方法，采用MMO稀疏阵元阵列，由M个发射阵元和N个接收阵元等效成MXN个均匀排布的虚拟阵元；包括如下步骤:
[0007]步骤A，采用M个发射阵元分时发射相同的线性调频波，发射信号为:
[0008]SI (t) = exp {j (2 π f0t+ ji μ t2)}, 0 ^ t ^ T
[0009]其中，&为线性调频波的起始频率，μ = Β/Τ为线性调频波的调频斜率，其中B为调频带宽，T为信号持续时间；[0010]步骤B，N个接收阵元接收相应的虚拟阵元回波信号，回波信号为:
[0011]rl (m, n, t) = a ^Sl (t_ Δ tmn)l≤n≤N
[0012]其中，α ?为回波信号衰减系数，m、n分别表示第m个发射阵元和第η个接收阵元，Δ 为发射信号从第m个发射阵元到目标，再由目标到第η个接收阵元的传播时间；
[0013]步骤C，对信号进行波束形成处理，获取回波数据矩阵:
[0014]步骤C-1，将每个回波信号对应虚拟阵元重组成MXN个独立通道的回波信号；
[0015]步骤C-2，利用回波数据矩阵中rl (2，I, t)和rl (3，4，t)的数据进行匹配滤波处理得到相应的渡越时间ΛΤ1和ΛΤ2 ;
[0016]步骤C-3，通过计算公式(Λ Tl+Λ T2) c/2初步估计出起伏界面的距离；
[0017]步骤C-4，对回波信号进行延时求和波束形成处理:
[0018]
【权利要求】
1.一种用于起伏界面的MMO稀疏阵列的超声测量方法，其特征在于，采用MMO稀疏阵元阵列，由M个发射阵元和N个接收阵元等效成MXN个均匀排布的虚拟阵元；包括如下步骤: 步骤A，采用M个发射阵元分时发射相同的线性调频波，发射信号为:
SI (t) = exp {j (2 n f0t+ π μ t2)}, 0 ≤ t ≤ T 其中，fo为线性调频波的起始频率，μ = Β/Τ为线性调频波的调频斜率，其中B为调频带宽，T为信号持续时间； 步骤B，N个接收阵元接收相应的虚拟阵元回波信号，回波信号为: rl (m, n, t) = a mnSl (t_ Δ tmn)l≤n≤N 其中，amn为回波信号衰减系数，m、n分别表示第m个发射阵元和第n个接收阵元，Atmn为发射信号从第m个发射阵元到目标，再由目标到第η个接收阵元的传播时间； 步骤C，对信号进行波束形成处理，获取回波数据矩阵: 步骤C-1，将每个回波信号对应虚拟阵元重组成MXN个独立通道的回波信号； 步骤C-2，利用回波数据矩阵中rl (2，I, t)和rl (3，4，t)的数据进行匹配滤波处理得到相应的渡越时间ΛΤ1和ΛΤ2 ; 步骤C-3，通过计算公式(Λ Tl+Λ T2) c/2初步估计出起伏界面的距离； 步骤C-4，对回波信号进行延时求和波束形成处理:
2.根据权利要求1所述的用于起伏界面的MIMO稀疏阵列的超声测量方法，其特征在于，所述步骤C-3之后还包括自适应焦点设定步骤: 由初步估计的起伏界面的距离和方位角确定每个扫描方向的波束形成的焦点位置。
3.第二种用于起伏界面的MIMO稀疏阵列的超声测量方法，其特征在于，采用MIMO稀疏阵元阵列，由M个发射阵元和N个接收阵元等效成MXN个均匀排布的虚拟阵元；包括如下步骤:步骤A，M个发射阵元同时发射不同的平衡Gold伪随机码调制的线性调频波，发射信号为:
4.根据权利要求3所述的用于起伏界面的MIMO稀疏阵列的超声测量方法，其特征在于，所述步骤C-2之后还包括自适应焦点设定步骤: 由初步估计的起伏界面的距离和方位角确定每个扫描方向的波束形成的焦点位置。
5.一种用于起伏界面的MIMO稀疏阵列的超声测量系统，其特征在于:包括超声阵列和信号发射及处理模型， 所述超声阵列由M个发射阵元和N个接收阵元等效成MXN个均匀排布的虚拟阵元；所述信号发射及处理模型包括分时发射模型和同时发射模型，所述分时发射模型包括分时发射单元、波束形成单元、去斜处理单元、FFT变换单元； 所述分时发射单元中M 个发射阵元分时发射线性调频波，通过信号的分时发射实现虚拟阵元回波信号的通道分离，N个接收阵元接收相应的虚拟阵元回波信号； 所述波束形成单元用于在所有回波信号接收结束后，将每个回波信号对应虚拟阵元重组成MXN个独立通道的回波信号，对其进行波束形成处理； 所述去斜处理单元用于对合成信号进行去斜处理； 所述FFT变换单元用于对去斜处理后的信号进行FFT处理，计算得到相应的距离信息； 所述同时发射模型包括同时发射单元、通道分离单元、波束形成单元； 所述同时发射单元中M个发射阵元同时发射不同的平衡Gold伪随机码调制的线性调频波，N个接收阵元同时接收； 所述通道分离单元用于对每个接收阵元接收的回波信号分别与M个发射信号进行相关运算实现通道分离，得到MXN个独立通道的信号， 所述波束形成单元用于对上述分离得到的信号进行波束形成处理，得到相应的距离信肩、O
6.根据权利要求5所述的用于起伏界面的MIMO稀疏阵列的超声测量系统，其特征在于:所述分时发射模型和同时发射模型中，波束形成单元在对信号进行波束形成处理时，采用自适应焦点设定方法。
【文档编号】G01S15/06GK103995262SQ201410198534
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2014年5月12日
【发明者】李鹏, 尹杰, 王银娟, 蔡玉雷 申请人:南京信息工程大学