双频超声多普勒信号的阈值谱峰搜索及仿真

　　超声波流量计作为一种新型的非接触式流量计，不仅安装方便，测试操作简单，维修便捷，而且由于是非接触测量，不会像传统流量计那样影响被测流体流速.在工业生产，医疗检测，海洋观测，石油勘探等社会生产生活诸多领域有着广泛的应用[1-2].采用多普勒法的超声波流量计，不仅可以进行两相流的测量，而且分辨率高，对流速变化响应快，对流体的压力、粘度和温度等因素不敏感，但由于其精度及稳定性较低，其应用受到很大影响[3].文献[4]从理论上介绍了采用频谱分析法法消除了理论上的误差，提高了测量精度.文中采用双频多普勒技术可以很好地解决了这个问题.文中应用数字信号处理器(DSP)TM320F2812设计了双频多普勒超声波流量计硬件电路，提出了频谱移位相乘结合阈值抽取谱峰搜索算法，在频域对多普勒信号进行有效的处理，能有效的提高超声波流量计的测量精度.同时使用快速傅里叶变换使频谱分析工作变得简单可靠，应用DSP在频谱分析上的更便捷，使测量结果更准确.

　　1　双频超声波流量测量理论

　　利用Matlab建立双频多普勒超声波流量计的理论模型如图1所示[5].

　　设x1(t)，x2(t)分别为含有流速信息的窄带信号，其功率谱为X1(jΩ)和X2(jΩ).载 波cosΩ1t，cosΩ2t为异频相互独立的两路超声波发射信号.加性白噪声为n(t)，其功率谱为P(jΩ).h1(t)，h2(t)是理想带通滤波器，中心频率分别为Ω1和Ω2.如图1所示含有流速信息的信号x1(t)，x2(t)分别经过载波cosΩ1t，cosΩ2t调制后再通过含有加性白噪声n(t)的信道，然后经过带通滤波器h1(t)，h2(t)解调器、低通滤波器h(t)输出.即可得到A，B两点处的信号频谱为：

　　比较式(1)和式(2)可以看出两束多普勒信号虽然载波的频率不同，但两束多普勒信号包含有相同的流量信息，具有相关特性.包含有噪声的频移信号分别经过带通滤波、解调和低通滤波处理后，两束多普勒信号的频谱分布规律没有发生改变，由于噪声为白噪声，其功率谱在频域分布是随机的，因此在通过带通滤波、解调和低通滤波等一系列处理后噪声谱被错开.这为双频多普勒超声波流量计的设计奠定了理论基础.

　　2　系统整体构架

　　系统的结构可以分为超声波发射、接收调理电路和数字信号处理系统这两大部分.DSP(TMS320F2812)控制发射电路驱动超声波换能器发射两路相互独立的超声波信号[6]，接收换能器将接收信号通过混频滤波调理电路，即可获得含有流体流速信息的多普勒频偏信号.TMS320F2812负责整个系统的调控和数据处理，辅以其它外围电路，实现了双频多普勒流量计的智能化.系统整体硬件结构如图2所示.