一种基于超声调制多频声波的加速度测量方法与装置

摘要

本发明公开一种基于超声调制多频声波的加速度测量方法及装置，测量方法利用多频声波构造测量信号，测量信号碰到所测目标后反射，检测反射回来的回波信号，计算回波信号相对于发射信号的频率变化项来检测加速度。所述装置包括操作模块、控制模块、处理模块、收发模块以及显示模块；处理模块与控制模块、收发模块以及显示模块连接，处理模块根据控制模块的指令进行数据处理，通过获取测量信号的波形及数据，对回波数据进行分析处理得出加速度检测的结果，并把加速度的检测结果传输给显示模块显示。本发明计算精度高，抗噪能力好，克服现有加速度测量方法及加速度计必须在所测目标上安装传感器以及难以适用于水下环境等液体环境的不足。

主权项

1.一种基于超声调制多频声波的加速度测量方法，其特征在于利用多频声波构造测量信号，测量信号碰到所测目标后反射，产生回波，检测反射回来的回波信号，计算回波信号相对于发射信号的频率变化项来检测加速度；所述计算包括： 基带多频信号由N路单频信号叠加而成，N≥1，其中第i路单频信号为s_i(t)=A_icos(2πf_it)，A_i表示第i路单频信号的幅度，f_i表示第i路单频信号的频率，因此得到的基带多频信号为： （公式1）式中，T为测量信号的时长； 运动目标作变速运动，以发射测量信号的时刻为时间0点，此时，第k个发射点Sk离目标的初始距离为l_k0，目标以速度v₀、加速度a做变速运动，k取值为正整数，目标在发射点S_k与目标连线的方向上的运动速度分量为v_0k，目标在发射点S_k与目标连线的方向上的加速度分量为a_k，随着时间的变化，发射点Sk与目标之间的距离l_k为： （公式2）t时刻所接收到的回波所传播的距离为v_声t，其中v_声为在某种气体或液体测量环境中声波传送的速度，为测量信号单程所传播的距离，满足：（公式3）因此发射点Sk接收到测量声波的回波为： （公式4）其中，B_ki为发射点Sk接收第i路回波的幅度，对（公式4）进行整理，得到： （公式5）由于发射的基带多频信号的时长满足0≤t<T，所以接收到的多路带宽信号的时长满 足： （公式6）由上式解出接收到的多路带宽信号的持续时长为T'，因此算出第i路带宽信号的频率范围为用带宽内为通带的带通滤波器将第i路的带宽信号分解出来；为了避免重叠，基带多频信号的第i+1路信号与第i路信号所采用的频率满足：（公式7）求解（公式7），加上保护间隔Δf，得到相邻两路所采用的声波频率应该满足下面条件： （公式8）这里的加速度分量a_k为正值表示其方向在目标远离发射点Sk的方向上,如果加速度分量a_k为负值这表示其方向在目标靠近发射点Sk的方向上； 用数字滤波器对接收的回波信号进行滤波，把接收到的多路带宽信号分解出来，其中，数字滤波器的每个带通频段范围为i代表不同频段，一共有N段，因此用N个带通滤波器将N路带宽信号提取出来，其中Sk接收到回波的第i路为：（公式9）接收到的信号频率与目标的加速度有关，利用数字信号处理的方法把各路信号的计算出来，并由此检测出加速度的值：（公式10）其中表示发射点Sk第i路信号得到的加速度分量检测值，若加速度分量为正表示目标在发射点与目标连线方向上远离目标运动，若加速度分量为负表示在此方向靠近目标运动。