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脉冲压缩编码激励超声气体流量测量研究

蒲诚  
【摘要】:传播时间法超声气体流量测量的关键技术之一是精确检测超声信号顺、逆流传播时间差。本文借鉴雷达领域的脉冲压缩技术,针对机械波(超声)相对于电磁波(雷达)的特殊性,提出了一种“脉压编码+相关测时”的超声流量测量方法。经典信号检测与估计理论分析、Matlab仿真及实流实验结果均表明,低信噪比时,相关处理较门限电平法有更高的正确检测概率,而编码激励较传统单脉冲激励有更低的时延估计标准偏差。 开发了基于FPGA的编码激励超声流量测量平台,并详细介绍了各构成模块的实现方法及时序关系。系统配置灵活,改变少数参数就可产生各种编码类型、各种带宽的二进制相位编码(2PSK)信号,还可产生不同时宽带宽积的线性调频(LFM)信号。 根据压电换能器电声暂态效应理论建立了二进制相位编码(2ASK)超声流量测量系统模型,给出了2ASK编码的一般步骤和测试波形。实流实验结果表明,2ASK激励下的超声信号形状受压电超声换能器和传播信道(流体介质)影响,在2.5~16m/s的流速范围内,最大误差达39.4%,最大重复性达3.33%。 系统地研究了包括2PSK和LFM在内的相位调制实验。重点讨论了相关时延估计环节的基准信号选择问题,提出使用顺、逆流零流速接收信号的双基准,可有效补偿超声换能器和放大滤波电路造成的延迟;成对回波理论定性分析表明,压电换能器会引入系统失真,导致脉冲压缩峰值偏移及流速测量误差;在标准表法气体流量实验装置上进行了流速范围3.0m/s~18.9m/s的管道实流实验,结果表明时延估计性能随回波混叠程度增大而降低;先相关后取包络,可充分利用载波的精细化结构和较完整的信号信息,流速的平均读数误差约为先取包络后相关方法的1/2,标准偏差约为其1/3。峰值模糊性导致较高流速时(18.9m/s),最大误差达30%,标准偏差2m/s,引入适当的非线性处理技术,如加窗峰值搜寻和时间/空间中值滤波,上述指标分别降至3.3%和0.35m/s;以流速测量的标准偏差和读数误差为指标,对比研究了编码激励的类型、周期数和带宽等参数,发射功率相同条件下,时宽2.6ms,带宽20KHz的LFM激励,相对于m序列和巴克码的2PSK激励有更好的流速测量性能。


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