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基于FMCW的MIMO超声液位测量方法关键问题的研究

作　者: 冯彬彬
导　师: 李鹏
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 超声波 液位测量 波动液位 FMCW MIMO
分类号: TP274.53
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


超声液位测量方法在工农业生产、交通运输、军事、科研和民用公益行业等众多领域和行业中起着重要的作用,特别在气象、水文和海洋业中应用更为广泛,超声液位测量的准确与否直接关系到测量系统的性能优劣,关系到气象预报的准确与否,关系到减灾防灾部门的决策制定,因此,提高超声液位测量准确性有着重要的科学意义和实际应用价值。随着科技进步和电子技术的不断发展,超声液位测量方法从各个方面被加以研究并取得了长足的进展,相应的测量系统性能得以改善,测量准确性得到提高。然而,一个事实是：超声液位测量方法及系统的进步大多集中在点测量上,如果这些点测量方法或系统被应用于液面波动状态下液位测量时,其测量性能就会退化。因此,如何提高波动液位测量的准确性是超声液位测量方法研究中的另一个热点问题。我们关注这个问题是因为液面波动状态下的超声液位测量准确与否直接关系到雨量和蒸发量等气象要素测量的准确性。所以,本文将以如何提高液面波动状态下超声液位测量准确性为研究对象,提出了基于线性调频连续波(Frequency Modulation Continuous Wave, FMCW)的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out-put, MIMO)超声液位测量新方法。在此基础上,对测量方法的基础部分及系统前端部分的关键问题加以研究,并构成了本硕士论文的主要内容。本文首先介绍了超声液位测量的国内外发展状况,对液面波动状态下超声液位测量准确性的成因做了理论分析,在分析研究MIMO雷达先进技术的前提下,提出了基于FMCW的MIMO超声液位测量新方法的设想。然后,着重介绍了FMCW雷达和合成孔径雷达、雷达探测和超声探测、MIMO技术及其在探测领域中的应用,并对雷达和超声探测中理论与技术的共享和互借做了介绍,同时分析和证明了基于FMCW的MIMO超声液位测量新方法的可行性。其次,对新方法的具体实现提出了可行的实现框架方案,并对发射波形和阵元阵列进行研究和优化,对方案中的关键部分波束形成进行了初步研究。再次,对系统方案中前端实验系统进行设计和开发,与徐州凯信电子设备有限公司合作,设计制作了稀疏阵元阵列超声数据采集硬件系统,独立设计开发了上位机控制软件。最后,通过仿真实验和制作的系统采集实际超声数据实验,验证了提出的新方法的可行性和正确性。仿真实验结果表明：采用新方法设置的液面空间采样点的测量误差在±1mm之间,最大绝对误差为0.9mm,最小绝对误差为Omm,波动液位的测量误差为0.2mm；实际超声数据采集实验和频谱分析结果表明：所设计的前端系统可以实现多阵元超声数据采集、显示和存储功能,系统稳定可靠,达到了设计的要求。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
第一章 引言  8-12
  1.1 超声液位测量国际发展现状  8-9
  1.2 超声液位测量国内发展现状  9-10
  1.3 基于FMCW的MIMO超声液位测量方法的发展  10
  1.4 论文的安排  10-12
第二章 基于FMCW的MIMO雷达和超声测量方法  12-22
  2.1 FMCW雷达和合成孔径雷达  12-15
    2.1.1 FMCW雷达原理  12-13
    2.1.2 合成孔径雷达原理  13-15
  2.2 雷达探测与超声探测  15-17
  2.3 MIMO技术及其在探测领域中的应用  17-19
    2.3.1 MIMO通信系统原理  17-18
    2.3.2 MIMO雷达系统原理  18-19
  2.4 基于FMCW的MIMO超声液位测量方法的提出  19-21
  2.5 本章小结  21-22
第三章 基于FMCW的MIMO超声液位测量系统的研究  22-38
  3.1 系统的整体框架  22-23
  3.2 阵元阵列的设计  23-25
  3.3 发射信号的优化  25-32
    3.3.1 单阵元超声FMCW的液位测量  25-29
    3.3.2 FMCW波形优化  29-32
  3.4 接收信号的波束形成  32-33
  3.5 仿真实验  33-37
  3.6 本章小结  37-38
第四章 基于FMCW的MIMO超声液位测量方法前端系统设计  38-53
  4.1 稀疏阵元阵列超声数据采集系统整体设计方案  38-39
  4.2 发射部分设计  39-41
    4.2.1 发射电路设计原理图  40
    4.2.2 波形发射实验结果  40-41
  4.3 接收部分设计  41-43
    4.3.1 3.5M高频线阵探头接收电路设计  41-42
    4.3.2 空气探头接收电路设计  42-43
  4.4 数据通信部分设计  43-44
  4.5 上位机控制软件设计  44-52
    4.5.1 软件系统需求分析  44-45
    4.5.2 软件系统整体方案  45-46
    4.5.3 软件系统设计流程  46-47
    4.5.4 数据通信模块设计  47-48
    4.5.5 波形显示和存储模块设计  48-50
    4.5.6 参数控制模块设计  50-52
  4.6 本章小结  52-53
第五章 数据采集波形的分析  53-58
  5.1 数据采集实验的设计及参数  53
  5.2 采集的信号波形及其分析  53-56
  5.3 本章小结  56-58
第六章 总结与展望  58-60
  6.1 全文总结  58
  6.2 未来工作展望  58-60
参考文献  60-63
致谢  63-64
攻读硕士学位期间发表发表论文  64
攻读硕士学位期间参与项目情况  64-65
附录 基于FMCW的MIMO超声液位测量方法前端系统实物图  65

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 采用各种新技术的自动检测系统 > 超声波检测及其设备
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