顏 華，張玉艷，王善輝

(沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

聲學CT溫度場檢測技術(shù)[1]具有非接觸、測溫范圍廣、測量對象空間范圍大、方便維護等優(yōu)點。該方法只需要在被測區(qū)域周圍布置若干聲波發(fā)射/接收器，測量出聲波在各路徑的傳播時間，計算出聲波傳播速度，再根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系便可推算各路徑的平均溫度，并可采用適當?shù)闹亟ㄋ惴ㄖ亟ǔ霰粶y溫度場[1-3]。該技術(shù)最典型的應用是監(jiān)測工業(yè)爐內(nèi)的燃燒情況[2]。而應用該技術(shù)監(jiān)測倉儲糧食溫度分布[3]則是最近幾年開展的新的應用研究。

聲波傳播時間測量系統(tǒng)的設(shè)計是聲學CT法溫度場檢測技術(shù)的一個關(guān)鍵，系統(tǒng)所具有的聲波接收器連接通道越多，可獲得的投影數(shù)據(jù)越多，系統(tǒng)復雜溫度場重建能力也越強，但系統(tǒng)的復雜程度以及對測量的要求也越高。文獻[3]設(shè)計了一個16通道聲波傳播時間測量系統(tǒng)，但由于是分時復用一塊8通道同步數(shù)據(jù)采集卡，要分3次才能將一幀聲波數(shù)據(jù)采集并送入計算機，不適合溫度變化快速的應用場合。針對該問題，文中設(shè)計了可同時高速采集16通道聲波數(shù)據(jù)的聲波傳播時間測量系統(tǒng)。

1 聲波傳播時間測量系統(tǒng)的組成

1．1硬件系統(tǒng)

所設(shè)計的聲波傳播時間測量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。采用集成功率放大器TDA2030的功率放大電路將聲卡Line Out輸出的音頻信號放大到可以驅(qū)動揚聲器發(fā)出足夠強度聲波的功率水平；由譯碼電路、光耦和繼電器組成的揚聲器選通電路按照設(shè)定的順序依次選通16個揚聲器中的一個，使其發(fā)出聲波；選通電路的控制信號由PMD1608FS數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O口給出；16個高靈敏度傳聲器(MP201)將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號，這些電信號由16個低噪聲的前置放大器(MA211)放大后，由2塊PCI-4472動態(tài)信號采集卡，同步采集并饋入計算機。PCI-4472是一款專為高通道數(shù)的聲音和振動應用而設(shè)計的高精度數(shù)據(jù)采集模塊，具有24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高采樣速率達可102.4 kS/s．其8路輸入通道可在DC到45 kHz的帶寬上對輸入信號進行同步的數(shù)字化。該系統(tǒng)共有16路聲波信號需要采集，為此用RTSI (real-time system integration)總線將2塊4472采集卡相連，使兩塊采集卡同步工作。RSTI總線是一種專用高速數(shù)字總線，包括7根觸發(fā)線，用于創(chuàng)建NI公司的測量、圖像采集和運動控制設(shè)備以及接口板卡之間靈活的同步關(guān)系。利用一根RTSI總線電纜，就可以在多塊板卡之間共享和交換時鐘和控制信號。

圖1 聲波傳播時間測量系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖

1．2軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是在LabVIEW平臺中開發(fā)的。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，廣泛地被工業(yè)界、學術(shù)界所接受，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW應用程序的設(shè)計包括前面板和程序框圖兩部分[5]。前面板是程序與用戶交流的窗口，程序框圖是以圖形化的源程序。所設(shè)計的聲波傳播時間測量系統(tǒng)的前面板如圖2所示。

圖2 聲波傳播時間測量系統(tǒng)前面板

利用前面板可進行掃頻信號參數(shù)、聲波采集參數(shù)的設(shè)置以及延估計算法的選擇。系統(tǒng)嵌入了互相關(guān)、抽樣率變換結(jié)合互相關(guān)兩種時延估計算法供用戶選擇。前面板上的“運行狀態(tài)”，用于指示當前發(fā)聲的揚聲器序號以及開機后已運行的測量次數(shù)；“波形顯示通道選擇”和“時域波形”窗口，用于查看16路聲波通道中任一路的波形數(shù)據(jù)；“路徑序號選擇”用于查看各路徑上的聲波傳播時間；“聲波傳播時間顯示”窗口則以莖狀圖的形式給出所有被測路徑上的聲波傳播時間。

系統(tǒng)運行時，首先通過PMD1608FS的數(shù)字I/O口選通1號揚聲器發(fā)出聲波信號，16個傳聲器接收到的信號被同步采集到計算機并存儲成數(shù)據(jù)文件；在循環(huán)結(jié)構(gòu)與分支結(jié)構(gòu)的控制下，選通2號揚聲器發(fā)出聲波并進行相應的數(shù)據(jù)采集，以此類推，直至16個揚聲器都發(fā)聲完畢，共獲得16×16組聲波數(shù)據(jù)；然后執(zhí)行被選擇的時延估計算法，由所獲得的聲波數(shù)據(jù)，計算出各路徑上的聲波傳播時間，顯示在前面板并保存為數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)一次完整的測量過程。

1．3時延估計算法

圖3為聲波傳播時間測量示意圖。揚聲器1發(fā)射聲波信號時，如傳聲器1(近端傳聲器)處的聲波信號表示為f(t)，則傳聲器2(遠端傳聲器)處的聲波信號可表示為f(t+Δt)，Δt為聲波信號由傳聲器1處傳播到傳聲器2處所用時間。通常取2個聲波收發(fā)器間正、反向聲波傳播時間測量值的平均值作為該路徑的傳播時間，以減小氣體流場對聲波傳播時間測量的影響。

圖3 聲波傳播時間測量示意圖

設(shè)傳聲器1輸出的電信號為x(t)，傳聲器2輸出的電信號為y(t)，在忽略聲波多路徑傳輸?shù)那闆r下有：

x(t)=k1f(t)+n1t

(1)

y(t)=k2f(t+Δt)+n2(t)

(2)

式中：k1、k2分別為與傳聲器1、傳聲器2輸出特性有關(guān)的常數(shù)；n1(t)、n2(t)分別為傳聲器1、傳聲器2處的噪聲干擾。

估計同源信號由于傳輸距離的不同所引起的時延有很多方法，互相關(guān)法[6]是最基本也是最常用的一種方法，具有較強的噪聲抑制能力?；ハ嚓P(guān)法計算x(t)與y(t)之間的互相關(guān)函數(shù)，取互相關(guān)函數(shù)峰值點所對應的時間，為兩信號間的時間延遲。當x(t)、y(t)對應的采樣序列的采樣點數(shù)較多(大于128)時，可利用FFT(快速傅里葉變換)技術(shù)和圓周卷積定理實現(xiàn)快速相關(guān)運算。即二者的互相關(guān)函數(shù)rxy(m)可用式(1)計算：

rxy(m)=IFFT[[FFT[x(n)]]*·FFT[y(n)]]

(3)

式中：x(n)、y(n)分別是x(t)、y(t)對應的采樣序列；FFT、IFFT分別表示快速傅里葉變換和快速傅里葉逆變換；*表示矩陣的復共軛運算。

互相關(guān)法計算出的時延值是采樣間隔的整數(shù)倍。該系統(tǒng)的采樣率設(shè)置為100 kHz，采樣間隔10 μs．假設(shè)聲波傳播路徑長1.225 m，被測路徑溫度為30 ℃，則10 μs對應的溫度變化為0.173 ℃．聲波傳播路徑越短、被測區(qū)域溫度越高(即聲速越高)，聲波傳播時間越短，越需要減少采樣間隔以獲更高的測量精度。

為進一步提高聲波傳播時間測量精度，可采用抽樣率變換[7]技術(shù)，將聲波數(shù)據(jù)的采樣率由實際采樣率fs提高L倍后(L為正整數(shù))，再進行互相關(guān)運算，如圖4所示。圖4中的↑L為零值插入器，即在相鄰兩個采樣值間插入L-1個零值點；h(n) 表示沖激響應為h(n)的數(shù)字低通濾波器，其作用是消除零值插入后在頻域中產(chǎn)生的基帶信號的映像，因此該濾波器要逼近如式(4)所示的理想低通頻率特性。濾波器的輸出即為抽樣率提升為Lfs的插值后信號，該信號與以采樣率Lfs獲得的信號間差異的大小，取決于h(n)的頻率特性逼近式(4)的程度。

(4)

針對圖4中的低通濾波器只能非理想實現(xiàn)、影響插值后信號精度的問題，文中提出抽樣率變換結(jié)合互相關(guān)運算的時延估計法，如圖5所示。該方法是直接對傅里葉變換后的頻域信號實施濾波處理，因此圖5中的低通濾波器LPF完全可以實現(xiàn)式(4)所描述的理想特性，濾波運算也比圖4中濾波運算所需要的時域卷積快捷方便得多。

圖4 抽樣率變換后再進行互相關(guān)運算

圖5 抽樣率變換結(jié)合互相關(guān)運算

為驗證抽樣率變換提升時延估計精度的有效性，在MATLAB中進行了仿真運算。設(shè)置x(t)為起始頻率為500 Hz、終止頻率為2 000 Hz、時長為0.3 s的線性掃頻信號；y(t)為x(t)的延遲信號，延遲時間依次為10.00 μs、11.00 μs、12.00 μs、13.00 μs、14.00 μs、15.00 μs、16.00 μs、17.00 μs、18.00 μs、19.00 μs．用100 kHz的采樣頻率，分別對x(t)、y(t)兩信號采樣30 000點。表1給出設(shè)定的時延真值以及用抽樣率變換結(jié)合互相關(guān)法在不同的抽樣率變換倍數(shù)下獲得的時延估值?？梢钥闯?，抽樣率變換的倍數(shù)L越大，算法能分辨出的最小時延值1/Lfs越小，所獲得的時延估值越接近時延真值。

2 實驗結(jié)果與分析

采用文中設(shè)計的16通道聲波傳播時間測量系統(tǒng)，在26 ℃的室溫條件下連續(xù)進行了100次測量實驗。揚聲器1和傳聲器1組成聲波發(fā)射/接收器1，…，揚聲器16和傳聲器16組成聲波發(fā)射/接收器16。16組聲波發(fā)射/接收器布置在1 m×1 m×1 m的立方體空間的各立方體頂點與棱邊中點上，形成32條穿過立方體區(qū)域的聲波路徑。實驗時設(shè)置掃頻信號起始頻率為500 Hz，終止頻率為2 000 Hz，信號時長為0.3 s，采樣頻率為100 kHz，采樣點數(shù)為30 000點。對每一次測量所形成的數(shù)據(jù)文件，都用互相關(guān)、抽樣率變換結(jié)合互相關(guān)兩種方法計算出各路徑的聲波傳播時間以及傳播時間測量值的離散系數(shù)。離散系數(shù)為測量值的平均值與標準差之比。離散系數(shù)越小，說明測量數(shù)據(jù)越穩(wěn)定。圖6給出了兩種時延估計方法測量出的各路徑聲波傳播時間的離散系數(shù)?？梢钥闯觯?1) 兩種方法都可以獲得穩(wěn)定的時延估值；(2) 與互相關(guān)方法相比，抽樣率變換結(jié)合互相關(guān)法可以獲得更穩(wěn)定的測量結(jié)果。

表1 設(shè)定的時延真值以及在不同抽樣率變換倍數(shù)下獲得的時延估值 μs

圖6 兩種時延估計方法測量值的離散系數(shù)

3 結(jié)束語

文中基于虛擬儀器技術(shù)所設(shè)計的16通道聲波傳播時間測量系統(tǒng)，能夠按照設(shè)計構(gòu)想正常運行。系統(tǒng)所配置的兩種時延估計算法，皆可獲得穩(wěn)定的聲波傳播時間測量值。與互相關(guān)法相比，抽樣率變換結(jié)合互相關(guān)的時延估計法可獲得更高的測量精度。在該系統(tǒng)中嵌入適當?shù)臏囟葓鲋亟ㄋ惴ū憧蓪崿F(xiàn)16通道聲學CT法溫度場檢測。

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作者簡介：顏華(1964—)，教授，博士，博士生導師，主要研究領(lǐng)域為過程層析成像技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)。

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