1.1超聲波流量測量發展概況

　　工業生產和科學實驗都離不開對工質數量的了解或對各種物質（原料）配比的控制。為保證產品質量、進行經濟核算，對單位時間內物料的輸送量（流量）或某段時間內物料的總輸送量（累積流量）要精確計量和控制，并要求能及時地發出反映流量大小的信號。流量測量，不管是以計量為目的，或是用于過程控制，幾乎涉及所有的領域。流量測量儀表種類繁多，用超聲波來檢測流量是其中的一種重要方法。當超聲波在流動的媒質中傳播時，相對于固定的坐標系統（比如管道中的管壁）來說，超聲波速度與其在靜止媒質中的傳播速度有所不同，其變化值與媒質流速有關，因此根據超聲波速度變化可以求出媒質流速。另外也可以根據超聲波在流體中的多普勒效應來求媒質流速，從而根據管徑等其它已知參數計算出流體的瞬時流量和累積流量。

　　研究利用超聲波測量液體和氣體流量已經有數十年的歷史。1928年法國的O. Rutten研制成功了世界上第一臺超聲波流量計，之后美國、意大利等國陸續有人研究，但都限于相位差法，進展不大。1955年，應用聲循環法的超聲波流量計首先作為航空燃料用流量計獲得成功，隨后又出現了基于時間差法和波束偏移法的超聲波流量計。1958年，A.L. Herdrich等人發明了折射式超聲波探頭，以消除由于管壁中聲波的交混回響而產生的相位失真，為換能器的管道外夾安裝提供了理論依據，超聲多普勒流量計也在這一時期誕生。1963年，超聲波流量計開始由日本的Tokyo Keiki等人引入工業應用，但由于電子線路太復雜而未占有牢固的地位。20世紀70年代后，集成電路技術迅猛發展，高性能鎖相技術的出現與應用，使得實用的超聲波流量計得以迅速發展。到20世紀90年代初期日本、美國、西歐等地區超聲波流量計的銷售已占到流量儀表的4%~9%.20世紀90年代中期，超聲波流量計世界范圍的年銷售臺數約3.6萬臺，其中明渠用約占1/3，封閉管道用約占2/3，2/3中傳播時間法、多普勒法、組合法分別約占81%、13 %、6%.進入21世紀，Flow Research和Ducker Worldwide的研究報告指出，全球超聲波流量計（不含明渠流量計）2000年的銷售達到2.4億美元，2005年前，超聲波流量計的銷售還將以年均 15.3%的速度快速增長。

　　如今，超聲波流量計扮演著越來越重要的角色，在供水、電力、石油、化工、冶金、煤礦、環保、醫療、海洋、河流等各種計量測試中得到廣泛的應用，并在一定范圍內取代了傳統的差壓流量計和電磁流量計等設備。超聲波流量計是一個很有發展前途的方向，F.C. Kinghorn在FLOMEKO‘1996上指出［8］，“改善現有的流量測量系統或開發新型流量測量手段將給工業界帶來巨大的效益，在這方面超聲波流量計、文丘利管流量計及層析顯像技術將會是最有發展前途的三個領域”，由此可見一斑。

　　超聲波流量計主要由安裝在被測管道上的超聲換能器（或由換能器測量管段組成的超聲流量傳感器），后端處理系統，以及連接它們的專用信號電纜組成。后端處理系統在結構上分為固定盤裝式和便攜式兩大類，以下從不同角度對超聲波流量測量方法進行分類。

　　按測量原理分類：封閉管道用超聲波流量測量原理有5種：傳播時間法、多普勒效應法、波束偏移法、相關法和噪聲法。

　　按被測介質分類：有氣體用和液體用兩類。

　　按換能器安裝方式分類：有可移動安裝和固定安裝（短管式和插入式）。

　　按聲道數分類：有單聲道、雙聲道、四聲道以及多聲道等類別。

　　課題研究的超聲多普勒流量測量方法自誕生以來，已逐步發展成為超聲波流量測量的一個重要方向。超聲多普勒流量計適用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆?；驓馀莸囊后w，如污水、工廠排放液、臟流程液、農業用水、泥漿、礦漿、非凈燃油、原油等，除非清潔液體中引入散射體（如氣泡）或其流動擾動程度大到能獲得反射信號，通常不適用于清潔液體。

　　與差壓流量計和電磁流量計等各種傳統的流量測量方法相比，超聲多普勒流量測量方法具有以下顯著特點：

　?。?）可以將檢測元件置于管壁外而不與被測流體直接接觸，不破壞流體的流場，沒有壓力損失；

　?。?）外夾式超聲多普勒流量計的安裝、檢修均不影響管路系統及設備的正常運行；

　　（3）超聲多普勒流量測量精度受流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響??；

　?。?）尤其適合替代電磁流量計來測量腐蝕性液體、高粘度液體以及非導電性液體的流量；

　　（5）多聲道技術可縮短要求的直管段長度而仍然能保證較高測量精度；

　?。?）可以從厚的金屬管道外側測量管內流體的流速，無需對原有管道進行任何加工，尤其適合應用于大管徑、大流量場合。

　　相對傳統的流量計，超聲多普勒流量測量方法特點比較突出，適合多種工況條件和液體類型流量的測量，在工業流量測量中具有廣泛的應用前景。近年來，隨著電子技術和信息技術的飛速發展，超聲波流量測量的技術水平有了很大提高，但研究重點非常明顯地集中在血流測量等醫學領域，超聲波工業管道流量測量方面的研究相對較少，且主要集中于時差式流量測量（以天然氣流量測量最為突出），在多普勒方法方面的研究不多，導致現有工業管道用超聲多普勒流量計的性能普遍不高，存在以下缺點：

　　（1）不能判斷流速方向；

　?。?）低流速測量困難；

　　（3）動態響應速度慢、實時性差；

　?。?）基本誤差一般為±（1%～10%）FS，重復性為0.2%～1%，相對時差式超聲波流量計、質量流量計、電磁流量計等其它流量計而言精度比較低。

　　這些缺點極大限制了超聲多普勒流量計的推廣和使用。目前超聲多普勒流量計一般只在一些特殊場合下使用，比如便攜式測量、明渠流量測量、超大管徑流量測量等。

　　1.2超聲多普勒流量測量研究進展

　　1.2.1多普勒流量測量模型

　　超聲多普勒流量測量技術在過去的幾十年中得到不斷發展，出現了多種測量模型，本章概括為分為連續波多普勒（CW Doppler）模型 、脈沖波多普勒（PW Doppler）模型、偽隨機多普勒模型和調頻多普勒（FM Doppler）模型 四種。CW Doppler流量測量采用收發分離的換能器，它們分別連續不斷地發射和接收超聲波信號并進行后續處理，這種測量模型一般用于平均流速和流量的測量，詳細原理見本文4.2小節，本章主要介紹后面三種模型的研究進展情況。

　?。?）PW Doppler模型

　　PW Doppler可采用收發共用的換能器，進行間斷式的脈沖發射，并作時間的門控式（Time-Gate）選通接收，測量原理如圖1-1所示。

　　超聲換能器在起始時刻t0發射一串超聲脈沖，并延遲一段時間1 t后接收超聲回波信號，選通時間2 t決定了采樣的回波信號長度，對應于取樣分析的散射體樣本大小，散射體樣本在超聲波傳播方向的長度為：

　　式中c0為流體中的聲速。散射體距離管壁的徑向位置為：

　　根據多普勒效應，對時間長度為t2的取樣回波信號進行頻譜分析，得到散射體速度：

　　式中fd為散射體樣本的多普勒頻移，f0為發射信號頻率。

　　通過改變延遲時間t1和選通時間t2，可得到超聲波傳播途徑上任意位置的任意大小散射體樣本的速度，從而可以測量流體在超聲波傳播方向上的流速分布。但這種方法存在一些缺點，如圖1-1，定義PRF為選通時間的脈沖重復頻率，由于PW Doppler流量測量可以檢測出的最高多普勒頻移只能是脈沖重復頻率的一半，因此PW Doppler方法能探測的最大深度為：

　　能夠測量的最大流速為：

　　并且最大探測深度和最大流速之間相互制約：

　　由于上述這些缺點，PW Doppler方法近年來逐步被一種新的時域相關技術所取代。

　　（2）偽隨機多普勒模型

　　偽隨機超聲多普勒流量測量模型的原理如圖1-2所示。

　　振蕩器產生高頻正弦波sinω0t，它被偽隨機信號調制并功率放大后成為發射信號st（t）：

　　式中M（t）是m序列二進制偽隨機碼。st（t）遇到第i個散射目標后返回到接收探頭的時間設為（t-τi），于是接收探頭接收到的回波信號為：

　　式中Ωi為第i個目標的多普勒頻移。m序列經延遲τk后為M（t-τk），與回波信號經相關器解調后得到：

　　由m序列自相關函數的性質可知：

　　如果隨機序列的N值相當大，則上式第二項可以忽略，即：

　　這樣，調節延遲時間τk就可以選通不同深度的運動目標進行分析。

　　偽隨機多普勒流量測量方法與CW Doppler和PW Doppler方法相比較，其可以克服CW Doppler方法沒有距離選擇性以及PW Doppler方法的最大測量距離和最大可能測量速度受限制等缺點。

　?。?）FM Doppler模型FM Doppler流量測量一般采用線性調頻方法，如圖1-3所示。

　　線性調頻的掃描振蕩器產生頻率從f1到f2的線性調頻信號：

　　式中tm為掃頻信號長度，掃頻速率

　　設散射質點位于收發換能器的聲束軸線上，與換能器的距離約為R.在開始發射t =0時刻，運動質點與換能器的距離為r，運動速度在超聲波傳播方向上的分量為u，則發射信號經散射質點反射回到接收換能器的時間為：

　　式中

　　則接收到的信號可以表示為：

　　式中：B包含了反射系數及發射幅度等各種幅度因子，并假設換能器具有平坦的頻響，傳播媒質均勻且無傳輸損耗。送入乘法器的復參考信號為延遲了td=2R/c0的發射信號：

　　乘法器的輸出經低通濾波后得到解調信號，該解調信號的相位有兩部分，一部分是和f1，s0，u，R等系數有關的多普勒頻率偏移量，另一部分是與u成正比的掃頻分量，其掃頻速度為：

　　Sd正比于散射體運動速度，因此對解調信號進行頻域或時域分析，即可得到散射體速度的估計。

　　上述四種多普勒流量測量模型中，CW Doppler模型在傳統工業管道超聲多普勒流量計中得到了廣泛應用，而后面三種模型方法相對CW Doppler模型而言較為復雜，主要應用于醫學領域，目前已有人研究將這些方法應用到工業管道流場分布和流量的測量，但離產品化還有一定距離。

　　1.2.2多普勒信號解調方法

　　CW Doppler流量測量中換能器接收到的信號可認為是多個多普勒頻移成份的疊加，表述為：

　　式中ai為頻移分量幅值，Ωi為頻移分量的頻率，φi為頻移分量的初始相位，s1（t）為經管壁、襯里等非運動介質耦合到接收探頭的信號。

　　多普勒信號解調的目的在于提取頻移信息，理想的解調應當取得正比于

　　的輸出。目前常用的解調方法有振幅檢波、鑒頻、鑒相及乘法器檢波等四種，但由于s（t）受多普勒頻移成分的非線性調制，振幅檢波、鑒相檢波兩種解調方式將產生失真，鑒頻檢波輸出的電壓幅值中將包含與頻移Ωi成正比的量，也不可取。乘法器檢波用參考信號cosω0t與接收信號s（t）相乘，再用低通濾波器濾除高頻分量，得到輸出：

　　這種方法得到的輸出沒有引起失真，因此在傳統的工業管道超聲多普勒流量計中得到了廣泛的使用。

　　1.2.3流速方向信息提取

　　現有工業管道超聲多普勒流量計均不能判斷流速的方向，在醫學血流測量領域，流速方向信息的提取主要有時域法、頻域法和相域法，分別介紹如下：

　?。?）時域法

　　基本原理是將接收到的超聲多普勒信號s（t）同時送入兩個乘法器，分別與有一定相位差β0的兩個同頻信號cosωot和cos（ω0t +β0）相乘，再低通濾波除去高頻分量，于是得到第一路的輸出為：

　　第二路的輸出為：

　　若血流方向為正，則Ωi》0 ，第一路輸出的相位超前第二路輸出的相位；若血流方向為負，則Ωi《0，第二路輸出的相位超前第一路輸出的相位。因此比較兩路輸出在時間上的先后就可以檢測出血流的方向信息。

　　（2）頻域法

　　超聲波經血流散射后，其頻譜位于發射頻率ω0的兩側。血流方向為正時，回波信號頻率高于ω0，成為上邊帶；血流方向為負時，回波信號頻率低于ω0，成為下邊帶。頻域法方向檢測的關鍵是制作性能優良的高頻上、下邊帶濾波器分離頻譜的上下邊帶，使得正、反向血流信號分別在兩個通道中輸出

　?。?）相域法

　　假設超聲多普勒回波信號表示為：

　　式中腳標p，n分別表示正向和反向血流。

　　相域法分離正、反向血流信號的框圖如圖1-4所示。

　　用兩個同頻正弦正交信號對輸入信號進行解調，并低通濾波除去高頻分量后得到：

　　經過兩個全通移相網絡，得到：

　　正向輸出為：

　　反向輸出：

　　這樣就完成了正、反向血流信號的檢測和分離。相域法需要保證兩路通道中低通濾波器和移相網絡增益的嚴格對稱，實現起來比較復雜。

　　1.2.4頻譜估計方法

　　傳統超聲多普勒信號的頻率估計常采用零交叉計數法和快速傅立葉變換法（FFT）等經典譜估計算法，這些方法存在頻率分辨率低，旁瓣泄漏嚴重等缺點。為克服這些問題，以參數模型為基礎的現代譜估計方法得到了很大的發展，并在超聲多普勒血流測量中得到很好的應用。參數模型法的思路是假定需分析的多普勒信號 x（n）（n= 1，2，。..，N ）是一個輸入序列u（n）激勵一個線性系統H（z）的輸出，由已知的x（n）估計H（z）的參數，再由H（z）的參數來估計x（n）的功率譜。x（n）和 u（n）之間有如下的輸入輸出關系：

　　式中b0 =1，若b1，b2，。..， bq全為零，則為AR（Autoregressive）模型；若a1，a2，。..，ap 全為零，則為MA（Moving Average）模型；若a1，a2，。..，ap， b1，b2，。..，bq 不全為零，則ARMA（Autoregressive Moving Average）模型。當參數模型為AR模型時，H（z）和功率譜Px（ejω）分別表述如下

　　式中σ2為u （n）的方差。AR模型的系數求解算法有自相關法、Burg算法和改進的協方差（MCOV）算法等。采用MCOV算法時，AR模型的參數可以通過求解改進的協方差方程組進行估計：

　　式中fs是采樣率。采用這種方法時，計算復雜性會隨著階次p的增加而增大。確定階次p的常用方法有最終預測誤差準則和信息論準則等。血流分析中，根據多普勒信號的特點，一般取階次p=4。

　　1.2.5數字信號處理技術

　　DSP器件采用并行的總線結構，運算速度快、集成度高，于20世紀80年代初出現，到20世紀90年代中后期開始高速發展，近年來在超聲多普勒血流測量領域受到高度重視，被廣泛用來分析多普勒信號的頻譜。另外，在數字信號處理中也有人用FPGA（Field Programmable Gate Array）來實現一些比較固定的算法，如FFT、FIR（Finite Impulse Response）濾波等。

　　采用高速DSP以及FPGA等器件的系統設計方法使得傳統基于硬件的設計轉移到基于軟件設計，信號處理研究的重點在很大程度上可以放到軟件算法上來，從而在抗干擾、提高檢測精度、實現儀器的智能化等方面具有傳統基于硬件設計方法所沒有的若干優點。另外，由于器件的高速性，測量方法也由最初的非實時應用轉向高速實時應用。

　　1.2.6多普勒譜峰搜索方法

　　CW Doppler流量測量的多普勒信號具有以下特點：

　?。?）由于換能器具有指向性，在流場中發射換能器和接收換能器的兩個指向性波束重疊區域（取樣域）

　　內粒子所反射的信號將以不同的幅度和相位在接收換能器上進行疊加，由于這些粒子的速度有差異，反射角度不同，產生的多普勒頻移也不一樣，疊加的結果使得多普勒信號頻帶加寬，形成以對應管道中心軸線上最大流速的多普勒頻率為譜峰的左右兩個邊帶；

　　（2）由于取樣域的擴展以及聲衰減的影響，導致頻譜中低頻成分的增加，使得頻譜的實際峰值位置向低頻方向偏移；

　　（3）工業管道流量測量中，管道一般較粗，換能器只能在流場中的局部區域取樣，這樣多普勒信號的頻譜不能反映管道截面的完整狀況。

　　傳統超聲多普勒流量測量技術在估計流體管道截面上的平均流速時采用零交叉計數法或計算全頻域多普勒平均頻率的方法，由多普勒信號的上述特點可知，這些方法將會產生很大誤差。而用搜索管道中心軸線上最大流速對應的多普勒譜峰頻率來代替傳統的方法將可以有效減小這些誤差，二次平均譜峰搜索方法因此得到發展并在一定程度上修正了多普勒譜峰的偏移 。該方法先求全頻域的多普勒平均頻率，然后在平均頻率以上的高頻有效區域再求一次平均頻率，將得到的平均頻率值作為近似的多普勒譜峰頻率，可以修正多普勒低頻偏移的影響，但是增大了運算量，實時性變差。

　　另外在醫學血流檢測中還有相位估計法和Teager估計法等 ，這些算法的一個共同特點是運算量均比較大、實時性差。因此無論是在工業管道流量測量還是在醫學血流檢測中，均缺少一種運算量小、實時性好的譜峰搜索方法。