浅析多普勒信号的检测及分析方法

中图分类号：TN911.6文献标识码： A 文章编号：

一、引言

流体流速及流量的测量，无论对于厂矿企业的管理，自然资源的开发，甚至人民日常生活都有着极为密切的关系，是一项十分重要的工作。对流量的测量原理和方法的研究，流量计的研制、生产和使用都已有了相当长的历史。随着生产的发展和技术的进步，需要计量的流体种类越来越多，计量条件越来越复杂，原有的一些种类的测量方法已满足不了需要，研究新的流量测量原理和方法势在必行。

近年来，国内外用声学方法测量流速、流量的研究已获成效，并有几种流量计开始推广使用。一般有传播速度差法（包括时差法、频差法，相位差法）和多普勒法等超声流量计，分别适用各类不同种类流体测量的需要。

二、研究的主要内容

（一） “过零检测”式超声多普勒测流技术在工业测流中存在的问题

超声Doppler测流技术最初应用在血流测量领域。工业用过零检测式超声Doppler测流技术直接引用了血流测量的一些结果。以过零检测技术获得平均频率从而求出平均流速。

实际上工业测流与血流测量在声学理论上至少有两点根本区别。其一，声耦合情况不同。血流测量中肌肉组织、血管组织与探头可以很好的耦合，声束扩散小，Doppler信号强，频谱展宽小；工业测流中，管道一般为圆形金属管道或其他刚性材质，与探头耦合较差，声束扩散角度大，而且还存在多层介质折射、反射，激发多种振动模式，使频谱展宽。其二，声照射情况不同。由于血管较细，通常情况下，可以假设整个血管横向被声照射区域的声场是均匀的，而且可以认为Doppler信号的功率谱分布反映了血管中的流速分布；而工业管道一般很粗（几十毫米到几米），声束只能照射到管道中流场的某一局部区域，显然，随着收发换能器取样域（Range cell）的位置、大小不同，域中流场分布不同，Doppler信号功率谱也不同，使得Doppler信号平均频率既不能反映整个管道内的平均流速，甚至对取样域内流体的平均流速的反映也并不准确。因此直接引用血流测量结果来用过零检测技术测流是存在一些问题的。

另外，工业测流与血流测流在流体力学上也有较大的差别。

其一，血流测量的流速范围较小（0~1m/s），因而用过零检测频率代替平均频率，可在使用范围内有很好的线性。而工业测流范围很大（0~十几米/秒），所以用过零检测技术非线性效果就比较明显了。

其二，血流测量时，血流雷诺数较小，多属层流，性质较稳定，信噪比较高，因而用过零检测效果较好，而工业测流基本上是紊流，条件较恶劣、信号较弱，随机性较大，信噪比较低，带宽较宽，因此可能导致过零检测式Doppler测流方案并不理想，限制了使用范围。更深入的研究是采用超声Doppler谱分析方法。

（二）流速的超声Doppler信号的频谱

1.流场的基本性质和流速分布规律

在一均匀光滑的圆直管段中，根据流体力学原理，管道横截面上的流速沿径向分布与管道中描述流动特征的雷诺数有关，当雷诺数小于2320时，通常为层流状态，这在血流测量中最常见；工业测流雷诺数通常在104—107范围内，此时为紊流（或湍流）状态。

层流是一种规则流动，其径向流速分布为一抛物面。

紊流是一种瞬变场，其中包含许多小旋涡，每一点的速度大小与方向均是随机的，但从平均效果看，其流速的径向分布遵从指数分布规律。

(1)

式中u0为管道中心的流速

a为管道半径

n与雷诺数有关

2.超声Doppler效应测流的基本原理

实际的收、发换能器都有一定的指向性。在流场中声束在一定区域中交叉，从而可知，Doppler信号是来自整个交迭区域（称取样域）。流体内的“粒子”随流体一起运动，众多粒子散射信号迭加。由于来自取样域内各点的流速和角度都不同，使接受到的Doppler信号的频谱展宽为频域上具有一定分布的谱。

根据北京大学电子学系的研究，Doppler信号的主要强度发生在窄带内，并随取样的展宽而向低频方向延伸，从而导致中心频率向低偏移。

当收发换能器处于管道对面两侧时，声束交迭区最小，此时频谱的上限频率由中心频率确定，而任何其它的因素只会造成频带内低频成分的增强，从而使得峰值位置向低频方向偏移，而对频带上限影响很小。

3.平均流速的计算

根据Doppler频谱中的两个特点：

a.众多因素对谱的影响只在低频部分，造成谱重心向低频偏移，但对高频部分影响较小。

b.取样域中心强度远大于其它付极大的强度，因而，其它因素对重心的影响只是使之偏移了一个小量，而不会发生大的改变。

所以寻找频谱中的相对稳定的参量时，应该着重于高频部分和“重心”这两个重要因素，从而获得近似真正的重心位置，由于它对应着管道中心处的流速，因而很容易从流体力学的公式（1）及表1所示数据，推出管道中的平均流速。

表1不同雷诺数时平均流速与管道中心流速的比值

4.Doppler信号的频谱与换能器安装方式的关系

讨论换能器的安装方式是很有实用价值的。前面所有分析，都是以换能器安装于管道两侧对面为基本条件。但在实际应用中，常遇到管径很大，或吸收较强的流体的测量问题，这时若仍在管外对面安装换能器，可能收到的信号很弱甚至根本收不到信号，这时可将换能器置于管道的同一侧，甚至贴的较近，以获得较强的Doppler信号。

由于换能器波束的指向性为一棒棰状声场，所以在对置时高迭区最小，而同侧安装换能器时，波束交迭区将增大，甚至一直延伸到对面管壁附近，交迭区主瓣在管道横截面上的投影为一狭长条形。

4.雷诺数的修正

随着平均流速的增大（表征流体流动特性的雷诺数增大），平均流速和管道中心流速的比值随之增大。在一般紊流范围内，准确度要求1%时，可用线形表达式来表示与n的关系：

（三）实际应用中应注意的若干问题

正确地使用超声Doppler流量计，可以获得较好的准确度，但使用不当，也会造成很大误差。在实际测流中应注意的问题是：

1.流体情况

超声Doppler流量计在测量含有杂质的流体时，由于粒子密度比较稳定，分布比较均匀（统计平均效果），因而Doppler信号也比较平稳，频谱特性较好，可以在较大的流速范围内给出良好的准确度（）。

2.管道的选择

由于换能器采用管外安装，因此受管道影响较大。在实际使用中应考虑管道材质的透声效果，密实的材质如钢、塑料、有机玻璃等透声效果好，而水泥、混凝土等管材就收不到回波信号。管材声学行为比较简单的材料是指管道内、外壁光洁，无凹凸或裂缝一类缺陷，否则可能导致声波的漫反射，从而引起Doppler频谱的展宽，产生不必要的频带，影响测量的准确度。

另外管道中流体满管，管道水平放置为好，因为竖直管中，气泡可能沿管线上升，形成错误的Doppler信号，或展宽Doppler信号谱。

3.换能器的安装和现场条件

换能器安装在水平管线上，按前面所述三种方式之一，在安装时要避免将换能器置于管线正上方或底部，因为流体中上浮的气泡或下沉的沉淀物可能导致接受信号的噪声很强，影响检测灵敏度，或是检测出的结果偏低（随气泡浓度，沉淀物浓度有关）。

换能器安装应满足前后足够直管段（前10D，后5D，D为管道内径）的要求以保证紊流场，应尽量避免靠近阀门或调节装置，以提高测量准确度。因为这些节流装置会产生旋涡等不规则流场，使Doppler信号谱中增加许多错误的信息。

另外，测量现场应远离无线电发射机或大变压器，因为高频电磁波会在接受器部分产生感应噪声，伴于Doppler信号频带内的噪声将造成Doppler信号的信噪比下降。

4.流速低限

管道中的流速低于一定的速度时，将进入层流状态，这时管道中的气泡会有规律地向管壁顶部上升，形成一个向上的平均速度，因而管道内气泡的速度已不能反映管道中流体的速度。

三、结论

1.工业测流与血流测量，无论在理论上还是在方法上都有着很大的差别，不能将血流测量的结果直接用于工业测流中。

2.换能器的取样域是相当复杂的，从而引起相当复杂的频谱，但这些影响多在低频移区，故高频移区为相对稳定的区域，以此为根据找出高频区“重心”的方法，求出管道的中心流速，从而求出平均流速。

3.多普勒信号谱随换能器的安装方式的不同而有所差别，因而在测量时，一定要确定换能器的安装方式，并据此进行修正，已获得较好的准确度。