基于声学多普勒流量测量系统的研究

论文摘要

声学多普勒流速剖面仪ADCP（Acoustic Doppler Current Profilers）是根据超声波在流动的流体中传播时会载有流体的流速信息这一原理,通过简便、可靠的信号处理方法,把这个流速信息转换成流量信息。ADCP系统与以往传统的流量测量系统相比,具有费用低,安装简便,不会改变流体的流动状态,不产生附加阻力等优点,是一种非常理想的节能型流量测量系统。然而,由于ADCP系统只是在近几十年才出现的一种新型仪表,还有很多地方不完善,没有得到普遍的应用,因而在科学技术迅速发展的今天,无论是对于自动化测量技术的提高还是对于环保事业来说,ADCP系统的研究将是一项极有意义的研究课题。本文详细介绍了ADCP系统检测技术的基本原理和实现方法,在借鉴和吸取国内外先进的超声波流量检测技术的基础上,设计出了完整的系统硬件,并且给出了系统软件的设计思想,编写了部分软件。系统硬件以TI公司的DSP芯片TMS320VC5402和ALTERA公司的CPLD芯片EP1K30TI144-2为核心。硬件包括超声波信号的产生与功率放大、信号接收、数据采集、存储、显示和DSP处理器系统;系统软件主要是在频域上对多普勒信号进行有效的处理:首先对带有多普勒频移信息的接收信号进行采样,再进行FFT变换,进而得到该信号的功率谱,再加上适当的数字滤波技术,从而得到频移信号所对应的频率值,在此基础上根据多普勒效应原理,求取河水流速和流量。由于试验条件的限制,系统具体的精度指标还无法测出,最后文章给出了系统的改进意见。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概述
• 1.1 研究背景及其意义
• 1.2 ADCP 测量系统的国内外研究概况
• 1.3 我国传统河流流量计存在的问题
• 1.4 目的与意义
• 1.5 课题任务
• 2 超声波换能器介绍
• 2.1 超声波换能器简介
• 2.2 超声波压电换能器探头的基本结构及其工作原理
• 2.3 超声波的散射和衰减
• 2.4 本章小结
• 3 ADCP 的测流原理及测流方法
• 3.1 水流分层的思想
• 3.2 ADCP 测水深原理
• 3.3 ADCP 测水速原理
• 3.4 ADCP 的结构
• 3.4.1 波束坐标和仪器坐标之间的投影关系
• 3.4.2 仪器坐标和大地坐标之间的变换关系
• 3.5 本章小结
• 4 多普勒流量测量算法分析
• 4.1 发射波形的选择
• 4.2 数字下变频算法分析
• 4.3 数字滤波算法分析
• 4.4 快速傅里叶变换（FFT）分析
• 4.4.1 离散傅里叶变换（DFT）
• 4.4.2 离散傅里叶变换（FFT）
• 4.5 谱估计算法分析
• 4.6 流量的计算方法
• 4.7 仿真结果
• 4.8 本章小结
• 5 测流系统硬件设计
• 5.1 超声波发射单元设计
• 5.1.1 CPLD 电路
• 5.1.2 功率驱动电路
• 5.2 接收放大单元设计
• 5.3 超声波信号处理单元
• 5.3.1 核心处理部分
• 5.3.2 DSP 外部接口部分
• 5.3.2.1 A/D 转换电路
• 5.3.2.2 FIFO 与DSP 的接口电路
• 5.3.2.3 存储器扩展电路
• 5.3.2.4 电平转换电路
• 5.3.2.5 显示电路
• 5.3.2.6 电源电路
• 5.3.2.7 硬件复位和看门狗电路
• 5.3.2.8 时钟电路
• 5.3.2.9 通讯接口电路
• 5.4 本章小结
• 6 测流系统软件设计
• 6.1 CPLD 程序
• 6.1.1 利用CPLD 产生发射波形的可行性分析
• 6.1.2 DDS 的基本原理
• 6.1.3 DDS 设计
• 6.2 DSP 程序
• 6.2.1 CCS 简介
• 6.2.2 DSP 程序设计
• 6.2.3 数据采集程序
• 6.2.4 信号处理程序
• 6.3 FIR 滤波程序程序
• 6.4 数据通信程序
• 6.5 本章小结
• 7 实验结果
• 7.1 DSP 处理模块调试
• 7.2 发射电路的调试
• 8 系统工作过程和抗干扰措施
• 8.1 系统工作过程
• 8.2 抗干扰措施
• 8.2.1 硬件抗干扰的措施
• 8.2.2 软件抗干扰措施
• 9 总结与展望
• 参考文献
• 附录A 功率谱密度的matlab 仿真程序
• 附录B 硬件电路图
• 附录C CCS2.2 下 FIR 滤波算法的程序
• 在学研究成果
• 致谢