一种超声换能器基于包络线的多普勒测量方法转让专利
申请号 : CN201910406752.0
文献号 : CN110133665B
文献日 : 2021-01-01
发明人 : 谢金 , 杨邓飞 , 刘鑫鑫 , 陈旭颖
申请人 : 浙江大学
摘要 :
本发明公开了一种超声换能器基于包络线的超声Doppler测量方法。该方法的步骤为：1)对第一超声换能器在非谐振频率激励下，朝向待测的移动物体发射超声波脉冲，并通过第二超声换能器接收移动物体反射回来的回波信号振幅曲线；2)对所述的回波信号振幅曲线进行包络线提取，确定包络线上的第k个凸点和第k个凹点位置，并得到第k个凸点和第k个凹点对应的时间差Tk；3)根据时间差Tk计算频率偏移；4)确定频率偏移属于正偏移或者负偏移，最终得到偏移后的频率f；5)根据偏移后的频率f，通过超声多普勒测量原理计算出移动物体的速度。本发明提出的包络线测量方法大大降低了对硬件的要求以及算法的要求。
权利要求 :
1.一种超声换能器基于包络线的超声Doppler测量方法，其特征在于，步骤如下：
1)对第一超声换能器在非谐振频率激励下，朝向待测的移动物体发射超声波脉冲，并通过第二超声换能器接收移动物体反射回来的回波信号振幅曲线；
2)对所述的回波信号振幅曲线进行包络线提取，确定包络线上的第k个凸点和第k个凹点位置，并得到第k个凸点和第k个凹点对应的时间差Tk，其中k为不小于1的自然数；
3)根据时间差Tk计算频率偏移|f-fn|，计算公式为： 其中fn为第二超声换能器的谐振频率；
4)确定频率偏移属于正偏移或者负偏移，最终得到偏移后的频率f；
5)根据偏移后的频率f，通过超声多普勒测量原理计算出移动物体的速度。
2.如权利要求1所述的超声换能器基于包络线的超声Doppler测量方法，其特征在于，所述的步骤4)中，通过结合振铃计数的方式来确定Doppler频率偏移属于正偏移或者负偏移。
3.如权利要求1所述的超声换能器基于包络线的超声Doppler测量方法，其特征在于，所述的步骤4)中，按照1)所述的方法连续进行两次间隔的脉冲-回波测量，根据两次测量得到飞行时间，判断移动物体与第一超声换能器的相对距离变化，从而判断物体的速度方向和Doppler频率偏移方向。
4.如权利要求1所述的超声换能器基于包络线的超声Doppler测量方法，其特征在于，所述的k＝1。
5.如权利要求1所述的超声换能器基于包络线的超声Doppler测量方法，其特征在于，所述的第一超声换能器和第二超声换能器的谐振频率相同。
说明书 :
一种超声换能器基于包络线的多普勒测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种超声换能器基于提取动态响应包络线的多普勒测量方法。
背景技术
[0002] 超声测速一般是利用超声的多普勒(Doppler)效应来进行物体运动速度的测量。利用超声波遇到运动物体时，频率会发生改变，通过检测该频率变化来确定物体运动速度。
超声 Doppler的测量主要有两种测量方式，连续波测量和脉冲-回波(pulse-echo)测量。连续波测量的频带较窄，并且容易受到多回路反射的影响而产生较大的误差。由于不需要连续工作，脉冲-回波法功耗相对更低。并且脉冲-回波法可以通过控制测量帧率以及调整脉冲个数来适应不同的测量范围。通常情况下，利用脉冲-回波法测量时需要对回波信号进行短时傅里叶变换护着小波变换来计算实际运动速度。但是，利用短时傅里叶变换(FFT变换)计算Doppler 频移的方式需要较高的采样率，并且需要设置合适信号处理参数来达到足够的时频分辨率。针对该问题，我们提出基于包络线的超声Doppler测量方法，大大降低对硬件以及算法的要求。
超声 Doppler的测量主要有两种测量方式，连续波测量和脉冲-回波(pulse-echo)测量。连续波测量的频带较窄，并且容易受到多回路反射的影响而产生较大的误差。由于不需要连续工作，脉冲-回波法功耗相对更低。并且脉冲-回波法可以通过控制测量帧率以及调整脉冲个数来适应不同的测量范围。通常情况下，利用脉冲-回波法测量时需要对回波信号进行短时傅里叶变换护着小波变换来计算实际运动速度。但是，利用短时傅里叶变换(FFT变换)计算Doppler 频移的方式需要较高的采样率，并且需要设置合适信号处理参数来达到足够的时频分辨率。针对该问题，我们提出基于包络线的超声Doppler测量方法，大大降低对硬件以及算法的要求。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于解决在脉冲-回波测量时需要对回波信号进行短时傅里叶变化或者小波变换来计算实际运动速度所需要较高的采样频率和特定信号处理参数，本发明提出的基于包络线的超声多普勒测量方法，减低了采样频率并且大大降低了对硬件以及算法的要求。
[0004] 本发明通过如下的方法来实现上述的目的：
[0005] 一种超声换能器基于包络线的超声Doppler测量方法，其步骤如下：
[0006] 1)对第一超声换能器在非谐振频率激励下，朝向待测的移动物体发射超声波脉冲，并通过第二超声换能器接收移动物体反射回来的回波信号振幅曲线；
[0007] 2)对所述的回波信号振幅曲线进行包络线提取，确定包络线上的第k个凸点和第k个凹点位置，并得到第k个凸点和第k个凹点对应的时间差Tk，其中k为不小于1的自然数；
[0008] 3)根据时间差Tk计算频率偏移|f-fn|，计算公式为： 其中fn为第二超声换能器的谐振频率；
[0009] 4)确定频率偏移属于正偏移或者负偏移，最终得到偏移后的频率f；
[0010] 5)根据偏移后的频率f，通过超声多普勒测量原理计算出移动物体的速度。
[0011] 作为优选，所述的步骤4)中，通过结合振铃计数的方式来确定Doppler频率偏移属于正偏移或者负偏移。
[0012] 作为优选，所述的步骤4)中，按照1)所述的方法连续进行两次间隔的脉冲-回波测量，根据两次测量得到飞行时间，判断移动物体与第一超声换能器的相对距离变化，从而判断物体的速度方向和Doppler频率偏移方向。
[0013] 作为优选，所述的k＝1。
[0014] 作为优选，所述的第一超声换能器和第二超声换能器的谐振频率相同。
[0015] 本发明超声换能器在非谐振频率激励下产生的振动响应通过对于响应包络线的提取，得到包络线上凹凸点的时间信息来确定频率差，进而计算出物体的移速。对于传统的超声换能器超声Doppler的测量主要有两种测量方式，连续波测量和脉冲-回波测量。而本发明提出的包络线测量方法大大降低了对硬件的要求以及算法的要求。
附图说明
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
[0017] 图1是本发明中超声换能器在非谐振频率下所产生的振动响应；
[0018] 图2是不同激励频率下超声换能器的动态响应包络线；
[0019] 图3是包络线极值点出现时间与驱动频率的关系；
[0020] 图4是换能器动态响应的STFT；
具体实施方式
[0021] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0022] 在论述本发明的具体实现过程之前，先介绍其技术原理。
[0023] 该方法中，通过对于超声换能器在脉冲-回波模式下的对动力学模型进行分析，计算出超声换能器在欠阻尼的情况下振荡系统的解，从而得到振动位移的包络线方程。然后通过对不同激励频率下超声换能器的动态响应包络线。观察发现非谐振频率下的响应曲线出现凹凸点的位置，只与激励信号和谐振频率有关通过此方法来确定频率差，进而求解出运动物体的速度。下面详细介绍该原理：
[0024] (1)超声换能器在非谐振频率激励下的所产生的振动响应如图1所示，图中的振动响应曲线出现凹凸点，振动主要分为3个阶段：起始振动阶段，稳定振动阶段和撤去激励后的衰减振荡。
[0025] 提取包络线的方法为：利用超声换能器的弹簧-阻尼-质量模型，在脉冲-回波模式时，通过对超声换能器施加一段正弦信号的激励脉冲串，得到其对动力学方程：其中M、C、K分别为超声换能器的等效质量、阻尼、弹簧， F
为驱动力；x为超声换能器位移，ω为激励信号的角频率，H为Heaviside方程，t为激励持续的时间，t0为激励开始的时间。
为驱动力；x为超声换能器位移，ω为激励信号的角频率，H为Heaviside方程，t为激励持续的时间，t0为激励开始的时间。
[0026] (2)通过改写(1)中方程为二阶阻尼振荡系统形式：
[0027]
[0028] 其中ωn为无阻尼自然谐振频率，ζ为阻尼比。
[0029] 求解该方程的瞬态解之前，我们先求解稳态时超声换能器的振幅，即时间达到足够长时，超声换能器的振幅不会发生改变。稳态振幅为：
[0030]
[0031] (3)对于弹簧-阻尼-质量构成的机械系统，可分为3种工作情况：过阻尼，临界阻尼和欠阻尼。而过阻尼和临界阻尼都是不会产生振荡的条件，超声换能器工作在欠阻尼情况下。对于欠阻尼系统，方程(2)的解为：
[0032]
[0033]
[0034] A3＝Aωsin(ωt-α)
[0035] A1代表由初始脉冲的大带宽效应激发的一次谐波振动，随着激励脉冲个数的增加，激励信号的带宽会逐渐变小，该项乘以阻尼谐振频率ωd逐渐衰减振荡运动。A2代表初始位移和初始速度引起的振动，该项也是呈以阻尼谐振频率ωd衰减的趋势，A3代表稳定驱动力所产生的位移，α为振动起始时刻的初相位，x0为弹簧的初始位移。
[0036] 总的瞬态位移为xtotal＝A1+A2+A3
[0037] 根据该结果，提取振动振动位移的包络线：
[0038]
[0039] (4)通过对图4做短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform，STFT)来提取时频信息。从图中可以看出，底部投影为瞬态响应的时频信息，频率在振动过程中在谐振频率附近周期变化的趋势。可以看到在同一STFT变换下，其功率谱密度(power spectral density,PSD) 分辨率要好于频率分辨率。
[0040] (5)超声换能器在不同频率激励下的动态响应曲线如图2所示。由图2可知，在远离谐振频率点处包络线出现一些凹点和凸点，且频率差越大越明显。而且这些凹凸点的出现只与激励信号频率和谐振频率的差值有关系，虽然幅值不一样，凹凸点的时间信息却是一致的。
[0041] (6)以包络线上的第一个凸点和第一个凹点为例，这两个包络线极值点出现时间与驱动频率的关系如图3所示。这样就可以通过对包络线的第k组凹凸点的计算，从而得到凹凸点所出现的时间，根据公式 来计算频率差。
[0042] (7)根据(6)中所得到的频率差值，得出频率变化后的f。然后根据超声多普勒测量原理计算出移动物体的速度： 其中v为声波速度，Δv为移动物体的速度，计算公式中的正负号根据Doppler频率偏移方向而定。
[0043] 基于上述原理，本发明提出了一种超声换能器基于包络线的超声Doppler测量方法，该方法基于两个超声换能器来实现，第一超声换能器用于发射超声波脉冲，第二超声换能器用于接收回波信号，两个超声换能器具有相同的谐振频率(均为416kHz)。测量方法的具体步骤如下：
[0044] 1)对第一超声换能器在非谐振频率激励下，朝向待测的移动物体发射超声波脉冲，并通过第二超声换能器接收移动物体反射回来的回波信号振幅曲线。
[0045] 2)对第二超声换能器接收到的回波信号振幅曲线进行包络线提取，包络线可采用origin 等制图软件对回波信号数据进行分析，进而绘制出来。然后可以确定包络线上从起始位置开始的第k个凸点和第k个凹点位置，每个位置对应其时间，第k个凸点横坐标对应时间为Tk凸，第k个凹点横坐标对应时间为Tk凹。因此可以进一步得到第k个凸点和第k个凹点对应的时间差Tk＝Tk凹-Tk凸。其中k为不小于1的自然数，优选采用k＝1。
[0046] 3)根据时间差Tk计算Doppler频率偏移|f-fn|，计算公式为： 其中fn为第二超声换能器的谐振频率。
[0047] 4)上一步得到的Doppler频率偏移是一个绝对值，需要进一步确定频率偏移属于正偏移或者负偏移，才能够最终得到偏移后的频率f。
[0048] 针对这个问题，可以通过结合振铃计数的方式，来确定Doppler频移。例如，通过施加远离谐振频率+10％和-10％的激励信号，可以清晰看到在0.9fn处和1.1fn处，超声换能器分别经过9个振动周期和11个振动周期达到第一个凹点。根据该方法就可以判断Doppler频移属于正偏移或者负偏移。
[0049] 另外，假如本发明的测量方法用作超声波测速的话，一种相对简单的方式来识别正频率偏移还是负频率偏移是结合飞行时间(ToF)来判断。通过步骤1)中所述的方法，对待测的移动物体进行两次时间间隔很短的脉冲-回波测量，由于飞行时间与距离呈正比，因此可以根据飞行时间判断距离的变化，从而判断物体的速度方向，即物体是朝向第一超声换能器运动还是远离第一超声换能器运动，根据该速度方向可以得到Doppler频率偏移方向。
[0050] 5)根据偏移后的频率f，通过超声多普勒测量原理就可以计算出移动物体的速度。
[0051] 由此可见，本发明的超声换能器在非谐振频率激励下产生的振动响应获得包络线信息，通过对包络线上凹凸点的时间信息来确定频率差，进而计算出物体的移速。对于常规脉冲- 回波法测量时对回波信号进行短时傅里叶变换或小波变换来计算实际运动速度需要较高采样率和设置特定信号参数来达到时频分辨率的缺点，本发明能够降低对采样频率和算法的要求。