波动液面距离的多载频MIMO超声测量方法的研究

利用超声波液面距离测量能够实现雨量、蒸发等气象要素的测量，液面距离准确性决定被测量的准确性。本项目针对超声波液面距离测量的其中两个主要影响因素：1）液面波动的干扰；2）液体温度、成分等因素引起的声波速度变化，提出波动液面距离的多载频MIMO超声测量方法，旨在提高液面波动状态下的超声波液面距离测量准确性。利用多阵元阵列采样波动的液面，得到不同的液面距离，经算术平均获得最终测量值；采用多载频克服各阵元发射的超声波相互干扰；利用MIMO实现空间分集和信号分集技术，使得测量系统从不同方面对被测目标进行观察，获得较大空间分集增益，进一步提高液面距离的测量精度；通过适当设置一强反射点目标，根据已知距离和强反射信号到达各个阵元的时延，获得超声波在液体中的真实传播速度。此项研究为实现超声波准确测量提供一崭新途径，不仅对气象要素探测领域，而且对其他利用超声波进行测量的领域，有着重要的科学意义和实际应用价值。

波动液面距离的多载频 MIMO 超声测量方法旨在提高液位波动情况下的液位测量准确性。项目实施过程中，根据既定的研究内容进行相应研究，并解决了其中一些关键技术问题，基本完成了研究目标。. 传感器阵列设计中，我们根据虚拟阵元技术构建MIMO稀疏超声阵列，并在此基础上实现了发射信号的优化。由于传感器频带较窄，很难实现M个发射阵元同时发射带宽不重叠的多载频中断线性调频波（LFMICW）脉冲，为此，采用两种替代的信号发射方案： 一是发射阵元以一定的脉冲重复频率轮流发射大时间带宽积的线性调频波（LFM）；二是发射阵元同时发射LMF GOLD编码信号。接收过程中，接收阵元同时接收回波信号。实验证明：两种信号发射能满足项目的要求，并能够实现希望的液位测量准确性。. LFM GOLD编码信号同步发射方案中，接收时需要进行通道分离以区分各发射信号。经研究证明：多维相关匹配滤波可以很好地实现通道分离，匹配滤波后，信号之间正交性很好地得到保证。波束形成是一项重要的研究内容，也是方法实现的关键。研究结果表明，传统的延时求和波束形成是新方法最佳方案，波束形成后的合成信号的信噪比、主旁瓣比和距离分辨率得到明显改善。. 液位波动下的结果表明：波束形成中焦点位置、液面波动幅度大小、回波信号的信噪比对测量准确性有一定影响，但新方法的准确性优于传统点方法。为了减小焦点偏移对测量方法准确性的影响，提出一套测量的执行规则，使焦点自适应地跟踪液位变化。为了进一步验证所提方法在实际中的可行性和准确性，我们特别开发了8通道的数据采集系统，采集波动液位的数据并估计液位，并与点方法的结果比较，结果表明新方法在实际测量中能够达到预期的测量准确性。. 此外，在有关超声测量信号处理研究中，对在Barker码发射情况下，提出了一种基于码宽估计和降噪的测量误差补偿方法；对在单频率正弦波脉冲发射下，提出了一种基于椭圆估计和Canny检测算子的渡越时间准确测量方法。