基于PCI-4472的声波传播时间测量系统

颜 华，张玉艳，王善辉

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

声学CT温度场检测技术[1]具有非接触、测温范围广、测量对象空间范围大、方便维护等优点。该方法只需要在被测区域周围布置若干声波发射/接收器，测量出声波在各路径的传播时间，计算出声波传播速度，再根据声速与温度的关系便可推算各路径的平均温度，并可采用适当的重建算法重建出被测温度场[1-3]。该技术最典型的应用是监测工业炉内的燃烧情况[2]。而应用该技术监测仓储粮食温度分布[3]则是最近几年开展的新的应用研究。

声波传播时间测量系统的设计是声学CT法温度场检测技术的一个关键，系统所具有的声波接收器连接通道越多，可获得的投影数据越多，系统复杂温度场重建能力也越强，但系统的复杂程度以及对测量的要求也越高。文献[3]设计了一个16通道声波传播时间测量系统，但由于是分时复用一块8通道同步数据采集卡，要分3次才能将一帧声波数据采集并送入计算机，不适合温度变化快速的应用场合。针对该问题，文中设计了可同时高速采集16通道声波数据的声波传播时间测量系统。

1 声波传播时间测量系统的组成

1．1硬件系统

所设计的声波传播时间测量系统的硬件系统框图如图1所示。采用集成功率放大器TDA2030的功率放大电路将声卡Line Out输出的音频信号放大到可以驱动扬声器发出足够强度声波的功率水平；由译码电路、光耦和继电器组成的扬声器选通电路按照设定的顺序依次选通16个扬声器中的一个，使其发出声波；选通电路的控制信号由PMD1608FS数据采集卡的数字I/O口给出；16个高灵敏度传声器(MP201)将接收到的声波信号转化为电信号，这些电信号由16个低噪声的前置放大器(MA211)放大后，由2块PCI-4472动态信号采集卡，同步采集并馈入计算机。PCI-4472是一款专为高通道数的声音和振动应用而设计的高精度数据采集模块，具有24位模数转换器，最高采样速率达可102.4 kS/s．其8路输入通道可在DC到45 kHz的带宽上对输入信号进行同步的数字化。该系统共有16路声波信号需要采集，为此用RTSI (real-time system integration)总线将2块4472采集卡相连，使两块采集卡同步工作。RSTI总线是一种专用高速数字总线，包括7根触发线，用于创建NI公司的测量、图像采集和运动控制设备以及接口板卡之间灵活的同步关系。利用一根RTSI总线电缆，就可以在多块板卡之间共享和交换时钟和控制信号。

图1 声波传播时间测量系统的硬件系统框图

1．2软件系统

软件系统是在LabVIEW平台中开发的。LabVIEW是一种图形化的编程语言，广泛地被工业界、学术界所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW应用程序的设计包括前面板和程序框图两部分[5]。前面板是程序与用户交流的窗口，程序框图是以图形化的源程序。所设计的声波传播时间测量系统的前面板如图2所示。

图2 声波传播时间测量系统前面板

利用前面板可进行扫频信号参数、声波采集参数的设置以及延估计算法的选择。系统嵌入了互相关、抽样率变换结合互相关两种时延估计算法供用户选择。前面板上的“运行状态”，用于指示当前发声的扬声器序号以及开机后已运行的测量次数；“波形显示通道选择”和“时域波形”窗口，用于查看16路声波通道中任一路的波形数据；“路径序号选择”用于查看各路径上的声波传播时间；“声波传播时间显示”窗口则以茎状图的形式给出所有被测路径上的声波传播时间。

系统运行时，首先通过PMD1608FS的数字I/O口选通1号扬声器发出声波信号，16个传声器接收到的信号被同步采集到计算机并存储成数据文件；在循环结构与分支结构的控制下，选通2号扬声器发出声波并进行相应的数据采集，以此类推，直至16个扬声器都发声完毕，共获得16×16组声波数据；然后执行被选择的时延估计算法，由所获得的声波数据，计算出各路径上的声波传播时间，显示在前面板并保存为数据文件，实现一次完整的测量过程。

1．3时延估计算法

图3为声波传播时间测量示意图。扬声器1发射声波信号时，如传声器1(近端传声器)处的声波信号表示为f(t)，则传声器2(远端传声器)处的声波信号可表示为f(t+Δt)，Δt为声波信号由传声器1处传播到传声器2处所用时间。通常取2个声波收发器间正、反向声波传播时间测量值的平均值作为该路径的传播时间，以减小气体流场对声波传播时间测量的影响。

图3 声波传播时间测量示意图

设传声器1输出的电信号为x(t)，传声器2输出的电信号为y(t)，在忽略声波多路径传输的情况下有：

x(t)=k1f(t)+n1t

(1)

y(t)=k2f(t+Δt)+n2(t)

(2)

式中：k1、k2分别为与传声器1、传声器2输出特性有关的常数；n1(t)、n2(t)分别为传声器1、传声器2处的噪声干扰。

估计同源信号由于传输距离的不同所引起的时延有很多方法，互相关法[6]是最基本也是最常用的一种方法，具有较强的噪声抑制能力。互相关法计算x(t)与y(t)之间的互相关函数，取互相关函数峰值点所对应的时间，为两信号间的时间延迟。当x(t)、y(t)对应的采样序列的采样点数较多(大于128)时，可利用FFT(快速傅里叶变换)技术和圆周卷积定理实现快速相关运算。即二者的互相关函数rxy(m)可用式(1)计算：

rxy(m)=IFFT[[FFT[x(n)]]*·FFT[y(n)]]

(3)

式中：x(n)、y(n)分别是x(t)、y(t)对应的采样序列；FFT、IFFT分别表示快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换；*表示矩阵的复共轭运算。

互相关法计算出的时延值是采样间隔的整数倍。该系统的采样率设置为100 kHz，采样间隔10 μs．假设声波传播路径长1.225 m，被测路径温度为30 ℃，则10 μs对应的温度变化为0.173 ℃．声波传播路径越短、被测区域温度越高(即声速越高)，声波传播时间越短，越需要减少采样间隔以获更高的测量精度。

为进一步提高声波传播时间测量精度，可采用抽样率变换[7]技术，将声波数据的采样率由实际采样率fs提高L倍后(L为正整数)，再进行互相关运算，如图4所示。图4中的↑L为零值插入器，即在相邻两个采样值间插入L-1个零值点；h(n) 表示冲激响应为h(n)的数字低通滤波器，其作用是消除零值插入后在频域中产生的基带信号的映像，因此该滤波器要逼近如式(4)所示的理想低通频率特性。滤波器的输出即为抽样率提升为Lfs的插值后信号，该信号与以采样率Lfs获得的信号间差异的大小，取决于h(n)的频率特性逼近式(4)的程度。

(4)

针对图4中的低通滤波器只能非理想实现、影响插值后信号精度的问题，文中提出抽样率变换结合互相关运算的时延估计法，如图5所示。该方法是直接对傅里叶变换后的频域信号实施滤波处理，因此图5中的低通滤波器LPF完全可以实现式(4)所描述的理想特性，滤波运算也比图4中滤波运算所需要的时域卷积快捷方便得多。

图4 抽样率变换后再进行互相关运算

图5 抽样率变换结合互相关运算

为验证抽样率变换提升时延估计精度的有效性，在MATLAB中进行了仿真运算。设置x(t)为起始频率为500 Hz、终止频率为2 000 Hz、时长为0.3 s的线性扫频信号；y(t)为x(t)的延迟信号，延迟时间依次为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的采样频率，分别对x(t)、y(t)两信号采样30 000点。表1给出设定的时延真值以及用抽样率变换结合互相关法在不同的抽样率变换倍数下获得的时延估值。可以看出，抽样率变换的倍数L越大，算法能分辨出的最小时延值1/Lfs越小，所获得的时延估值越接近时延真值。

2 实验结果与分析

采用文中设计的16通道声波传播时间测量系统，在26 ℃的室温条件下连续进行了100次测量实验。扬声器1和传声器1组成声波发射/接收器1，…，扬声器16和传声器16组成声波发射/接收器16。16组声波发射/接收器布置在1 m×1 m×1 m的立方体空间的各立方体顶点与棱边中点上，形成32条穿过立方体区域的声波路径。实验时设置扫频信号起始频率为500 Hz，终止频率为2 000 Hz，信号时长为0.3 s，采样频率为100 kHz，采样点数为30 000点。对每一次测量所形成的数据文件，都用互相关、抽样率变换结合互相关两种方法计算出各路径的声波传播时间以及传播时间测量值的离散系数。离散系数为测量值的平均值与标准差之比。离散系数越小，说明测量数据越稳定。图6给出了两种时延估计方法测量出的各路径声波传播时间的离散系数。可以看出：(1) 两种方法都可以获得稳定的时延估值；(2) 与互相关方法相比，抽样率变换结合互相关法可以获得更稳定的测量结果。

表1 设定的时延真值以及在不同抽样率变换倍数下获得的时延估值 μs

图6 两种时延估计方法测量值的离散系数

3 结束语

文中基于虚拟仪器技术所设计的16通道声波传播时间测量系统，能够按照设计构想正常运行。系统所配置的两种时延估计算法，皆可获得稳定的声波传播时间测量值。与互相关法相比，抽样率变换结合互相关的时延估计法可获得更高的测量精度。在该系统中嵌入适当的温度场重建算法便可实现16通道声学CT法温度场检测。

参考文献：

[1]HOLSTEIN P，RAABE A，MULLER R，et al．Acoustic tomography on the basis of travel-time measurement．Measurement Science and Technology，2004，15(6)：1240- 1248．

[2]BRAMANT M，SALEMO E A，TONAZZINA A，et al．An acoustic pyrometer system for tomographic thermal imaging in power plant boilers．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1996，45(1)：159-167．

[3]YAN H，CHEN G N，ZHOU Y G．Primary study of temperature distribution measurement in stored grain based on acoustic tomography．Experimental Thermal and Fluid Science，2012，42(10)：55-63．

[4]颜华，王金，陈冠男．16通道声波飞行时间测量系统．沈阳工业大学学报，2010，32(1)：70-74．

[5]郭山国，任立军，王国章，等．基于LabVIEW和PCI-1710的虚拟仪器系统．仪表技术与传感器，2011(10)：36-37．

[6]吴新杰，吴成东．基于互相关和函数型神经网络测量声波渡越时间．仪表技术与传感器，2010(11)：82-84．

[7]姚天任．数字信号处理．北京：清华大学出版社，2011．

作者简介：颜华(1964—)，教授，博士，博士生导师，主要研究领域为过程层析成像技术、虚拟仪器技术。

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