專利名稱：一種基于超聲調(diào)制多頻聲波的加速度測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲波測量技術(shù)，具體涉及一種利用多頻聲波進(jìn)行一維到三維運(yùn)動目標(biāo)的加速度測量方法與裝置。
背景技術(shù)：
各個領(lǐng)域?qū)铀俣葴y量的需求越來越多，這些需求推進(jìn)著加速度測量技術(shù)的不斷發(fā)展。目前有不少的加速度測量方法及對應(yīng)的加速度計(jì)，較常用的加速度計(jì)有硅微技術(shù)的加速度計(jì)(包括硅電容、硅電阻、硅壓電、電子隧道等加速度計(jì))、力平衡加速度計(jì)，以及光纖加速度計(jì)等。硅電容、硅壓阻、硅壓電加速度計(jì)基本原理類似，它們都是通過被測加速度使檢測質(zhì)量發(fā)生運(yùn)動或者位移，進(jìn)而由檢測質(zhì)量的運(yùn)動或位移分別使電容器的電容量、壓阻阻值以及壓電極板間的電荷量發(fā)生變化，再由電橋測量出這些變化量從而就可以檢測出被測加速度。電子隧道加速度計(jì)是利用隧道效應(yīng)，通過被測加速度使檢測質(zhì)量發(fā)生位移進(jìn)而使其與隧道探針之間的距離發(fā)生變化，此時(shí)電子探針和被測物體間會產(chǎn)生巨大的電流變化，只要檢出此電流變化就能檢測出被測加速度。力平衡加速度計(jì)的基本工作原理是通過被測加速度使檢測質(zhì)量發(fā)生位移，此時(shí)力平衡電路就會產(chǎn)生一個大小相等方向相反的靜電力作為反饋來，這個反饋的力與產(chǎn)生位移的力平衡從而使檢測質(zhì)量的位移歸零，只要檢測出反饋輸出電壓就能檢測出被測加速度。光纖加速度計(jì)的基本原理是被測加速度使檢測質(zhì)量發(fā)生位移，進(jìn)而使得耦合到入射光纖的光功率發(fā)生變化，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換等一系列變化，檢測出光功率變化量從而檢測出被測加速度。由此可見，目前常用的加速度計(jì)都是基于牛頓第二定律，通過將加速度a在檢測質(zhì)量m上產(chǎn)生方向相反的慣性力F(通常表現(xiàn)為檢測質(zhì)量的位移)轉(zhuǎn)換成電信號或其他可測信號從而測出加速度。可是，基于這樣原理所制作的加速度計(jì)必定要在所測目標(biāo)上安裝檢測質(zhì)量及傳感器，但很多應(yīng)用上卻不能預(yù)先接觸所測目標(biāo)，或所測目標(biāo)不允許裝上這樣的檢測質(zhì)量及傳感器，這時(shí)目前常用的加速度測量方法就不能使用了。此外，目前的加速度計(jì)在水下的應(yīng)用也成了一個難題。海洋面積占據(jù)了地球70%以上的表面積，人類的活動空間正越來越多地轉(zhuǎn)向海洋。水下加速度的測量需求也日益增多，例如潛艇導(dǎo)航、魚雷制導(dǎo)等等。目前常用的加速度傳感器在水介質(zhì)中受到流體、壓力等因素影響，往往難以方便直接地應(yīng)用，研究適用于水下加速度測量的新方法尤為急切?，F(xiàn)在常用的方法是提高加速度計(jì)或傳感器的密封性(CN201020248943. 3)，但這樣致使加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)和工藝非常復(fù)雜而且不能從根本上解決問題。本發(fā)明基于多頻聲波回波信號的加速度測量方法與裝置，可以很好地解決上述兩個難題。由于本發(fā)明是從聲波回波信號處理的角度來測量加速度，打破了目前加速度計(jì)的限制，不需要在所測目標(biāo)上安裝傳感器；另外，聲波在水中衰減相對較小，因此本發(fā)明提出的方法適用于水下環(huán)境
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有加速度測量方法及加速度計(jì)必須在所測目標(biāo)上安裝傳感器以及難以適用于水下環(huán)境等液體環(huán)境的不足，提供一種基于超聲調(diào)制多頻聲波的加速度測量方法及裝置。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。一種基于超聲調(diào)制多頻聲波的加速度測量方法，利用多頻聲波構(gòu)造測量信號，測量信號碰到所測目標(biāo)后反射，產(chǎn)生回波，檢測反射回來的回波信號，計(jì)算回波信號相對于發(fā)射信號的頻率變化項(xiàng)來檢測加速度。上述的加速度測量方法，具體包括如下步驟第一，利用頻分復(fù)用技術(shù)，構(gòu)造多頻聲信號作為基帶信號，用超聲載波對基帶信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制頻率為f。，從而得到發(fā)射信號；第二，將調(diào)制好的超聲信號發(fā)射出去，信號碰到所測目標(biāo)后反射，產(chǎn)生回波，檢測反射回來的回波信號，解調(diào)得到基帶回波信號；第三，對解調(diào)后的多頻基帶信號進(jìn)行分解，得到多路帶寬信號；第四，對分解后的每路單頻信號計(jì)算其相對于發(fā)射信號的頻率變化項(xiàng)，得到多個加速度檢測值；第五，對多路的加速度檢測值取平均，得到最終的加速度檢測值。上述的加速度測量方法中，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在一個二維平面內(nèi)運(yùn)動時(shí)，在該運(yùn)動平面布置兩個信號發(fā)射點(diǎn)，且兩個信號發(fā)射點(diǎn)與所測目標(biāo)三點(diǎn)不在一條直線上，通過所述第一至第五步驟檢測出兩個方向的加速度矢量，將這兩個加速度矢量通過幾何計(jì)算，得到總的加
速度矢量。上述的加速度測量方法中，當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在一個三維空間中運(yùn)動時(shí)，在運(yùn)動空間中布置三個信號發(fā)射點(diǎn)，且這三個信號發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)不能在一個平面上，通過所述第一至第五步驟檢測出不在同一個平面三個方向的加速度矢量，將這三個加速度矢量通過幾何計(jì)算，得到總的加速度矢量。上述的加速度測量方法中，所述計(jì)算包括基帶多頻信號由N路單頻信號疊加而成，N ^ 1，其中第i路單頻信號為Si (t)= AiCos (2 π f^), Ai表示第i路單頻信號的幅度，A表示第i路單頻信號的頻率，因此得到的基帶多頻信號為
權(quán)利要求
1.一種基于超聲調(diào)制多頻聲波的加速度測量方法，其特征在于利用多頻聲波構(gòu)造測量信號，測量信號碰到所測目標(biāo)后反射，產(chǎn)生回波，檢測反射回來的回波信號，計(jì)算回波信號相對于發(fā)射信號的頻率變化項(xiàng)來檢測加速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加速度測量方法，其特征在于包括如下步驟第一，利用頻分復(fù)用技術(shù)，構(gòu)造多頻聲信號作為基帶信號，用超聲載波對基帶信號進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制頻率為f。，從而得到發(fā)射信號；第二，將調(diào)制好的超聲信號發(fā)射出去，信號碰到所測目標(biāo)后反射，產(chǎn)生回波，檢測反射回來的回波信號，解調(diào)得到基帶回波信號；第三，對解調(diào)后的多頻基帶信號進(jìn)行分解，得到多路帶寬信號；第四，對分解后的每路單頻信號計(jì)算其相對于發(fā)射信號的頻率變化項(xiàng)，得到多個加速度檢測值；第五，對多路的加速度檢測值取平均，得到最終的加速度檢測值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加速度測量方法，其特征在于當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在一個二維平面內(nèi)運(yùn)動時(shí)，在該運(yùn)動平面布置兩個信號發(fā)射點(diǎn)，且兩個信號發(fā)射點(diǎn)與所測目標(biāo)三點(diǎn)不在一條直線上，通過所述第一至第五步驟檢測出兩個方向的加速度矢量，將這兩個加速度矢量通過幾何計(jì)算，得到總的加速度矢量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加速度測量方法，其特征在于當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)在一個三維空間中運(yùn)動時(shí)，在運(yùn)動空間中布置三個信號發(fā)射點(diǎn)，且這三個信號發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)不能在一個平面上，通過所述第一至第五步驟檢測出不在同一個平面三個方向的加速度矢量，將這三個加速度矢量通過幾何計(jì)算，得到總的加速度矢量。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的加速度測量方法，其特征在于所述計(jì)算包括基帶多頻信號由N路單頻信號疊加而成，NS 1，其中第i路單頻信號為Si (t) =Ai cos (2 π fj) ,Ai表示第i路單頻信號的幅度，fi表示第i路單頻信號的頻率，因此得到的基帶多頻信號為外)= YjA cos(2^-y0,0<t<T,l<i<N (公式 I)i=l式中，T為測量信號的時(shí)長；運(yùn)動目標(biāo)作變速運(yùn)動，以發(fā)射測量信號的時(shí)刻為時(shí)間O點(diǎn)，此時(shí)，第k個發(fā)射點(diǎn)Sk離目標(biāo)的初始距離為1M，目標(biāo)以速度％，、加速度a做變速運(yùn)動，k取值為正整數(shù)，目標(biāo)在發(fā)射點(diǎn) Sk與目標(biāo)連線的方向上的運(yùn)動速度分量為Vtlk,目標(biāo)在發(fā)射點(diǎn)Sk與目標(biāo)連線的方向上的加速度分量為ak，隨著時(shí)間的變化，發(fā)射點(diǎn)Sk與目標(biāo)之間的距離Ik為I 9h = ho + vOtt + -akt (公式 2)t時(shí)刻所接收到的回波所傳播的距離為v_t，其中Vp為在某種氣體或液體測量環(huán)境中聲波傳送的速度，，Vp · I為測量信號單程所傳播的距離，滿足vP^ = ho +vok- + ~ak(-f (公式 3)因此發(fā)射點(diǎn)Sk接收到測量聲波的回波為足jI丄 z 、2^(0 = X^kicos[2^/；(/-2-__2_)] ( λ式 4)ttV聲其中，Bki為發(fā)射點(diǎn)Sk接收第i路回波的幅度，對(公式4)進(jìn)行整理，得到rk(O = YjBkl Cos^fl(I - V-^)t-字P -44 (公式 5)~tV 士2v 士V 士I —丄J=DJ=DJ=D由于發(fā)射的基帶多頻信號的時(shí)長滿足0<t <τ，所以接收到的多路帶寬信號的時(shí)長滿jI丄/ ￡ 、2O< t - 2_-_-_-_< T (公式 6)V+尸由上式解出接收到的多路帶寬信號的持續(xù)時(shí)長為iT，因此算出第i路帶寬信號的頻V\率范圍為V士V士_尸尸 y帶寬信號分解出來；為了避免重疊，基帶多頻信號的第i+Ι路信號與第i路信號所釆用的頻率滿足VrwV士 — vn> — ahTΙπ/χ -^-) < 2π/ι+ι(……)(公式 7)尸尸求解(公式7)，加上保護(hù)間隔Af，得到相鄰兩路所采用的聲波頻率應(yīng)該滿足下面條件，用帶寬內(nèi)為通帶的帶通濾波器將第i路的>fA ,p τ.)+Λ/ (公式8)vP~vok~a這里的加速度分量ak為正值表示其方向在目標(biāo)遠(yuǎn)離發(fā)射點(diǎn)Sk的方向上，如果加速度分量ak為負(fù)值這表不其方向在目標(biāo)靠近發(fā)射點(diǎn)Sk的方向上；用數(shù)字濾波器對接收的回波信號進(jìn)行濾波，把接收到的多路帶寬信號分解出來，其中，λ數(shù)字濾波器的每個帶通頻段范圍為V士V士_尸尸 y段，一共有N段，因此用N個帶通濾波器將N路帶寬信號提取出來，其中Sk接收到回波的第 i路為rkl (O = Bki cos[2^/ (I - V-^)t - t2 - Απ/, ^],1<ι<Ν2ν±尸尸尸代表不同頻=Bkl cos {Ιπνχ -^-^ ^-Απ/^,Ι ι Ν (公式 9) ν* 4ν*ν*尸尸尸接收到的信號頻率與目標(biāo)的加速度有關(guān)，利用數(shù)字信號處理的方法把各路信號的 4v,-計(jì)算出來，并由此檢測出加速度的值其中Ofe表示發(fā)射點(diǎn)Sk第i路信號得到的加速度分量檢測值，若加速度分量為正表示目標(biāo)在發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)連線方向上遠(yuǎn)離目標(biāo)運(yùn)動，若加速度分量為負(fù)表示在此方向靠近目標(biāo)運(yùn)動。
6.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求所述測量方法的測量裝置，其特征在于包括操作模塊、控制模塊、處理模塊、收發(fā)模塊以及顯示模塊；操作模塊與控制模塊相連，主要用于人機(jī)交互，選擇測量信號的頻率；控制模塊和操作模塊、處理模塊、收發(fā)模塊以及顯示模塊均相連，控制模塊主要根據(jù)操作模塊的指令，對處理模塊、收發(fā)模塊和顯示模塊進(jìn)行控制；處理模塊與控制模塊、收發(fā)模塊以及顯示模塊連接，處理模塊根據(jù)控制模塊的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過與收發(fā)模塊相連產(chǎn)生與獲取測量信號的波形及數(shù)據(jù)，對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得出加速度檢測的結(jié)果，處理模塊通過與顯示模塊相連把加速度的檢測結(jié)果傳輸給顯示模塊顯示；收發(fā)模塊和控制模塊以及處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，從處理模塊中的調(diào)制器中獲取測量信號進(jìn)行超聲發(fā)射，以及接收所測目標(biāo)反射回來的回波信號并傳送給處理模塊的解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)；顯示模塊與控制模塊與處理模塊相連，根據(jù)控制模塊的指令，將處理模塊得到的加速度檢測值進(jìn)行顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量裝置，其特征在于所述處理模塊主要包括數(shù)字處理器、 調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中，數(shù)字處理器根據(jù)控制模塊的指令產(chǎn)生基帶多頻聲波信號以及調(diào)制解調(diào)用的超聲信號，數(shù)字處理器還從數(shù)模轉(zhuǎn)換器中獲取接收信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，把多頻基帶信號分解成多路帶寬信號；然后進(jìn)行計(jì)算處理，得出加速度的檢測結(jié)果，并將計(jì)算的最終結(jié)果傳輸給顯示模塊顯示；調(diào)制解調(diào)器用于將基帶多頻信號調(diào)制成發(fā)射信號傳輸給收發(fā)模塊進(jìn)行發(fā)射，以及從收發(fā)模塊處獲取接收信號，將接收到的信號解調(diào)成基帶多頻信號；振蕩器和分頻器主要用于產(chǎn)生各種適用的頻率；數(shù)模轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)從解調(diào)器處獲取解調(diào)后的多頻基帶信號，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，把接收的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號便于數(shù)字處理器處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量裝置，其特征在于分頻器有三個，第一分頻器用于產(chǎn)生基帶多頻信號的頻率，第二分頻器用于產(chǎn)生超聲載波的信號頻率，第三分頻器用于產(chǎn)生數(shù)模轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號的頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量裝置，其特征在于所述收發(fā)模塊包括一個以上的超聲探頭。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于超聲調(diào)制多頻聲波的加速度測量方法及裝置，測量方法利用多頻聲波構(gòu)造測量信號，測量信號碰到所測目標(biāo)后反射，檢測反射回來的回波信號，計(jì)算回波信號相對于發(fā)射信號的頻率變化項(xiàng)來檢測加速度。所述裝置包括操作模塊、控制模塊、處理模塊、收發(fā)模塊以及顯示模塊；處理模塊與控制模塊、收發(fā)模塊以及顯示模塊連接，處理模塊根據(jù)控制模塊的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過獲取測量信號的波形及數(shù)據(jù)，對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得出加速度檢測的結(jié)果，并把加速度的檢測結(jié)果傳輸給顯示模塊顯示。本發(fā)明計(jì)算精度高，抗噪能力好，克服現(xiàn)有加速度測量方法及加速度計(jì)必須在所測目標(biāo)上安裝傳感器以及難以適用于水下環(huán)境等液體環(huán)境的不足。
文檔編號G01P15/18GK102608353SQ20121004118
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月22日
發(fā)明者寧更新, 張軍, 李堯輝, 韋崗 申請人:華南理工大學(xué)