[发明专利]基于多频水声信号的悬移质测量系统及信号处理方法

权利要求书

1.基于多频水声信号的悬移质测量系统，其特征在于：包括水声换能器组和电子箱，所述电子箱内设有信号产生设备、功率放大器、前置放大器、信号采集设备和电源设备，所述信号产生设备连接所述功率放大器，所述功率放大器连接有前置放大器，所述前置放大器连接所述信号采集设备，所述信号采集设备连接有信号处理设备，所述信号产生设备、功率放大器、前置放大器和信号采集设备均与所述电源设备相连接；所述功率放大器连接所述水声换能器组；所述信号处理设备为上位机，所述上位机内设有实时信号处理与显控软件；发射多频声信号到水中并接收采集悬移质的后向散射声信号，然后将数字信号处理结果与实时信号处理与显控软件中的已有模型进行匹配，从而计算出悬移质信息，具体包括以下处理步骤：

(1)首先，利用后向体积散射模型刘伯胜-水声学原理，建立对应的声呐方程如下式：

其中，SL是声源级；EL是回声级；R是散射体距离换能器表面的距离；α是声吸收系数，α＝αs+αw，其中αs是散射体的声吸收系数，αw是纯水的吸收系数；Ψ是收发合置模式下的等效合成束宽；c是水中声速；T是声信号脉冲长度；BSv是体积散射强度；然后根据散射体声吸收系数和有效后向散射截面计算公式：

其中，χ(a)表示归一化的总体后向散射截面积；ρs表示粒子的密度；f(a)是因子函数；a为粒子半径；m为单个粒子的质量；

将上述α_s，σ_bs带入前面的声呐方程，得到如下：

把悬移质粒径分布建模为对数高斯分布，

其粒径均值E和方差δ分别为：

(2)首先计算已知参数包括EL，SL’，R，αw，χ(a)，ρ_s，ψ，c，T，f(a)；其中，SL’是包含SL和其他在等式变换中的恒定常数项；然后设定合理的粒径分布函数方差和均值的离散点，其中粒径方差δ有I个备选值，粒径均值E有J个备选值；按照2级循环的方式，依次选择参数μ和σ，计算其对应的粒径分布函数n(a)和粒径均值E；

依次计算其声呐方程中的和则上述等式简化为

EL＝SL”+C₁(M)M+10lg(M)

其中SL”包含已知等式右边所有常数项之和，C₁(M)是声吸收函数；建立迭代关系式

当前后2次的M值之差的绝对值小于设定的门限时，则停止迭代，输出M_i,j,k；

然后依次计算4个频率对应的等式，获得悬移质浓度M的归一化均方差Δ_i,j；

其中

最后搜索均方差Δ_i,j的最小值，其对应的M，μ和σ就是最优测量值，得出粒径分布n(a)和粒径均值E；

所述水声换能器组包含4个不同频率的换能器。

2.根据权利要求1所述的基于多频水声信号的悬移质测量系统，其特征在于：所述水声换能器组与电子箱之间通过电缆连接，所述电缆长度从0.2到20米。

3.根据权利要求2所述的基于多频水声信号的悬移质测量系统，其特征在于：所述电子箱上设有BNC公头，所述电缆上设有BNC母头，所述BNC公头与所述BNC母头相匹配。

4.根据权利要求3所述的基于多频水声信号的悬移质测量系统，其特征在于：所述水声换能器组连接有安装支架，所述安装支架包括换能器安装头和安装杆，所述换能器安装头用于固定各个换能器，所述换能器安装头连接所述安装杆。

5.根据权利要求1所述的基于多频水声信号的悬移质测量系统，其特征在于：所述信号产生设备产生换能器工作频段内的频率和长度的窄带或宽带信号；所述功率放大器内部包括电流放大器、驱动放大器和末级功率放大器，负责对原始发射信号进行滤波和放大形成大功率信号，驱动换能器发出声信号；所述前置放大器负责对接收的原始微弱信号进行滤波和放大，形成被后端信号采集设备获取的大幅度信号；所述信号采集设备负责把模拟信号变换为数字信号，所述信号处理设备负责对数字信号进行实时或非实时处理，计算泥沙浓度和粒径分布信息；信号处理设备为能够对数字信号进行处理的设备。