一种基于超声波多普勒测量线流速的方法与流程

1.本发明涉及液相流速测量领域，尤其涉及一种基于超声波多普勒测量线流速的方法。


背景技术：

2.目前常规的超声波多普勒流速仪是应用声学多普勒效应原理，使用超声波换能器，用超声波探测流速。可以测瞬时流速，也可以测平均流速，这类流速仪都属于点流速，也就是能够测量到超声波传感器所在位置上的流速值，通过记录一段时间的瞬时流速值来计算这段时间的平均流速。然而，无论是管道还是渠道中的水流，从来都不是一个点的流速，其不同水层之间的流速是有差异的，表面流速最大，底层流速最小，不同水层之间的流速也有差异，如果仅以流速仪所安装在的水层位置来测量流速的话，则误差会较大。另一方面，漂浮物在水中的自旋转以及突入物进入测量区间后对瞬时流速都有较大的误差。因此，为了解决上述问题，本发明提供一种基于超声波多普勒测量线流速的方法，解决单台超声波多普勒流速设备无法计算分层流速的技术问题，并且在计算分层流速的过程中识别并过滤掉无效流速，得到更接近真实的水流流速。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出了一种基于超声波多普勒测量线流速的方法，解决单台超声波多普勒流速设备无法计算分层流速的技术问题，并且在计算分层流速的过程中识别并过滤掉无效流速，得到更接近真实的水流流速。
4.本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种基于超声波多普勒测量线流速的方法，包括以下步骤：
5.s1、超声波探头周期性地发射频率信号，并接收回波信号，所述回波信号与另一路同频同相信号混频后得到不同水层形成的差频信号，若干个所述差频信号进行ad转换后形成若干张图谱；
6.s2、基于离散小波变换识别每层水层的无效流速特性信号和真实流速信号，对每层水层的真实流速信号进行分时傅里叶变换获取每层水层的真实流速信号的频率值，基于多普勒移频公式计算每层水层流速值。
7.在以上技术方案的基础上，优选的，s2具体包括以下步骤：
8.s101、将每张图谱的缓存数据等分为与水层数相同的块，每个块对应一个水层信号数据；
9.s102、使用daubechies小波6阶变换定位每层水层信号数据中所有特征频率对应的时域位置；
10.s103、若相同水层、不同时刻出现不同频率特征的流速信号，则所述流速信号为突入物干扰信号；
11.若不同水层、相同时刻出现不同频率特征的流速信号，则所述流速信号为自旋转
干扰信号；
12.若不同水层、不同时刻出现符合流速分层的流速信号，则所述流速信号为真实流速信号；
13.s104、对每层水层信号数据进行分时傅里叶变换获取不同水层中真实流速信号的频率值，将不同水层的真实流速信号频率值分别代入多普勒移频公式计算不同水层的真实流速。
14.在以上技术方案的基础上，优选的，s101中每张图谱的缓存数据占用16384 个int数据，每张图谱等分为四个块，对应四层水层信号数据；[0,4095]数据长度为第一水层信号数据，[4096,8191]数据长度为第二水层信号数据， [8192,12287]数据长度为第三水层信号数据，[12287,16383]数据长度为第四水层信号数据。
[0015]
在以上技术方案的基础上，优选的，s102具体包括以下步骤：
[0016]
s201、对每层水层信号数据进行6阶小波变换获取最小分辨率在[0,160]hz、占用64个int数据长度的窗；
[0017]
s202、抓取不同窗内小波变换后最大的幅值信号；
[0018]
s203、归一化不同窗口抓取幅值最大的幅值信号；
[0019]
s204、基于不同水层和不同时刻的频率信号构建多维矩阵。
[0020]
在以上技术方案的基础上，优选的，s204中多维矩阵为f.max[n][m](x)，n 表示第n张图谱，m表示第m层水层，x表示第x个int数据。
[0021]
在以上技术方案的基础上，优选的，s103具体包括以下步骤：
[0022]
s301、设置第一窗长阈值，选取同一水层、不同时刻的水层信号数据，将两个数据长度之差大于第一窗长阈值的频率信号定义为第一特征点，若两个第一特征点不相等，则定义为相同水层、不同时刻出现不同频率特征的流速信号，判定所述流速信号为突入物干扰信号；
[0023]
s301、设置第二窗长阈值，第二窗长阈值大于第一窗长阈值，选取不同水层、相同时刻的水层信号数据，将两个数据长度之差大于或等于第二窗长阈值的频率信号定义为第二特征点，若两个第二特征点不相等，则定义为不同水层、相同时刻出现不同频率特征的流速信号，判定所述流速信号为自旋转干扰信号；
[0024]
s303、设置第三窗长阈值，第三窗长阈值大于或等于第一窗长阈值且小于第二窗长阈值，选取不同水层、不同时刻的水层信号数据，将两个数据长度之差等于第三窗长阈值的频率信号定义为第三特征点，若两个第三特征点相等，则定义为不同水层、不同时刻出现符合流速分层的流速信号，判定所述流速信号为真实流速信号。
[0025]
在以上技术方案的基础上，优选的，s104具体包括以下步骤：
[0026]
s401、对每层水层信号数据做傅里叶变换获取每个块中不同频率分量的能量值及其模值；
[0027]
s402、取每层水层信号数据内最大模值对应的频率点为最大信号频点，并基于频率计算公式计算最大信号频点的频率，所述最大信号频点的频率为真实流速信号的频率；
[0028]
s403、分别将每层水层的真实流速信号的频率代入多普勒移频公式计算不同水层的流速。
[0029]
在以上技术方案的基础上，优选的，s401中不同频率分量的能量值及其模值分别
为：
[0030][0031][0032]
其中，因子为：e
jw
＝cos(y) j*sin(y)；式中，x(k)和为傅里叶变换后的频率分量，k为第k个差频信号频点；y是时域ad信号；w表示角度；q为序列；n表示傅里叶变换的窗口大小，n＝4096；
[0033]
第k个频点的模值为：
[0034]
在以上技术方案的基础上，优选的，s402中频率计算公式为：
[0035][0036]
式中，m表示第m层水层；f(m)表示第m层水层中真实流速信号的频率；k(m) 表示第m层水层的最大差频信号频点；fs表示采样频率；n表示傅里叶变换的窗口大小，n＝4096。
[0037]
在以上技术方案的基础上，优选的，s403中多普勒移频公式为：
[0038][0039]
式中，f表示超声波探头发射频率；fd表示接收到的频率，fd＝f-f(m)；c 表示超声波速度；v(m)表示第m层的流速；θ表示水流和超声波入射波的夹角。
[0040]
本发明的一种基于超声波多普勒测量线流速的方法相对于现有技术具有以下有益效果：
[0041]
(1)通过设置混频电路将回波信号与另一路同频同相位的参考信号混频后过滤掉发射基频并输出差频信号，所述差频信号包含了不同水层流速数据，基于超声波在水中回传的回波信号时间先后将所述差频信号的数据长度分割为与水层数相同的块，每个块对应一个水层数据，为后续无效流速识别和分层流速计算提供数据支撑；
[0042]
(2)通过采用小波6阶变换可以将回波信号中叠加的不同水层信号频率展开，具有较高的分辨率，能够识别回波信号中所有频率信号，定位每层水层信号数据中所有特征频率对应的时域位置，从而得到每层水层的真实水流频率信号以及无效干扰频率信号；
[0043]
(3)通过比较相同水层、不同时刻，或不同水层、相同时刻，或不同水层、不同时刻的频率特征，识别的流速信号突入物干扰信号、自旋转干扰信号和真实流速信号，解决现有超声波多普勒流速设备无法识别并过滤掉无效流速的问题；
[0044]
(4)通过采用分时傅里叶变换计算每层水层的真实流速信号的频率值，并基于多普勒移频公式即可计算不同水层的流速，解决现有单台超声波多普勒流速设备无法计算分层流速，并且通过本发明的方法获取的真实流速值更贴近真实情况。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为本发明超声波多普勒测量线流速设备的使用示意图；
[0047]
图2为本发明超声波多普勒测量线流速设备的结构图；
[0048]
图3为本发明超声波多普勒测量线流速设备中信号发射电路的电路图；
[0049]
图4为本发明超声波多普勒测量线流速设备中回波接收电路的电路图；
[0050]
图5为本发明超声波多普勒测量线流速设备中混频电路的电路图；
[0051]
图6为本发明超声波多普勒测量线流速设备中信号放大电路的电路图；
[0052]
图7为本发明一种基于超声波多普勒测量线流速方法的流程图；
[0053]
图8为本发明一种基于超声波多普勒测量线流速方法接收的回波信号图谱；
[0054]
图9为本发明一种基于超声波多普勒测量线流速方法中对差频信号对应图谱进行小波变换后的信号图谱；
[0055]
图10为本发明一种基于超声波多普勒测量线流速方法中对第一幅图谱中第一层水层的实时数据分解图。
具体实施方式
[0056]
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0057]
实施例1
[0058]
常规的超声波多普勒流速仪属于点流速，也就是能够测量到超声波传感器所在位置上的流速值，通过记录一段时间的瞬时流速值来计算这段时间的平均流速。然而，无论是管道还是渠道中的水流，从来都不是一个点的流速，其不同水层之间的流速是有差异的，表面流速最大，底层流速最小，不同水层之间的流速也有差异，如果仅以流速仪所安装在的水层位置来测量流速的话，则误差会较大。因此，为了解决上述问题，本实施例提供一种基于超声波多普勒测量线流速的装置，设置混频电路，通过混频电路将回波信号与另一路同频同相的参考信号混频后过滤掉发射基频并输出差频信号，所述差频信号包含了不同水层流速数据，基于超声波在水中回传的回波信号时间先后将所述差频信号的 ad值对应图谱的数据长度分割为与水层数相同的块，每个块对应一个水层数据，为后续无效流速识别和分层流速计算提供数据支撑。
[0059]
具体的，如图2所示，超声波多普勒测量线流速的装置包括超声波发射探头、超声波接收探头、信号发射电路、回波接收电路、混频电路、信号放大电路和信号处理电路。其中，信号发射电路的输入端与信号处理电路电性连接，信号发射电路的输出端与超声波发射探头连接，超声波接收探头与回波接收电路的输入端电性连接，回波接收电路的输出端与混频电路的输入端电性连接，混频电路的输出端通过信号放大电路与信号处理电路的模
拟输入端电性连接。
[0060]
优选的，超声波发射探头设置在最底层的水层中，超声波探头与水层呈预设夹角。由于超声波的传输频率越高，则介质对声波的粘滞系数越大，损耗越大，响应距离则越短，传输频率越低，则损耗越小，响应距离则越远；不过传输频率越高，则频率响应的分辨率越高，能测量到的流速精度就越高，相反频率越低，则测量到的流速精度就越低。如图1所示，本实施例以水深5m为例，在综合考虑流速的识别精度和线流速计算中分层定义的区别，这里超声波发射探头的发射频率选用450khz的发射频率，能够识别到的水层距离范围是0-5 米，流速范围0-5m/s，流速精度0.01m/s，水层分为4层。超声波探头每次发射 4ms的频率信号，声波在水中的传输速度约为1450m/s，倾斜角度30
°
，从超声波发出传到5米远的距离，到超声波返回，超声波接收探头接收到回波信号，最大的时间为：5/cos(30
°
)/1450＝0.00398s*2＝0.00796s≈8ms。所以这里触发的发射时间为10ms足够满足5米距离的信号接收。
[0061]
优选的，信号发射电路每隔96ms的间隔时间，发射4ms的超声波信号，共存储10组数据并形成10张图谱，其中，每组数据包括16384个int数据。进一步优选的，信号发射电路采用如图3所示结构，其中，ys是450khz方波信号， irf7301是双mos管结构，信号从u2_2脚输入，mos管做开关整形控制，u3_7 脚输出信号，t1为磁环与u3一起将方波信号整形为正弦波信号，输入信号 0-3.3v信号，输出信号峰峰值为33v，用来驱动超声波探头。c5调整输入信号的积分延时电容，r14与r4为电流电阻与r5一起共同调节t1输入端的驱动电流。
[0062]
优选的，回波接收电路采用如图4所示结构，其中，signal为回波输入信号，因为回波信号为ma级电流信号，通过r16、r26、r30做电压分压之后传入三极管q1基级，经过信号放大后从发射极输出，u6为反向放大器放大倍速 r12/r17，输出信号0-5v。
[0063]
优选的，由于回波信号中会叠加不同流速频率在发射频率上，因此，本实施例通过硬件混频后过滤掉回波信号中的发射基频，从而得到不同水层形成的差频信号。进一步优选的，混频电路采用如图5所示结构，rf为混频器信号输入端，y3为控制单元输入的另一路同频同相位的450khz信号，混频器对rf 和y3信号做矢量减法后输出差频信号if。
[0064]
优选的，信号放大电路采用如图6所示结构，其中，c44为隔直通交电容， r44与r45一起共同调整成偏置电压1.5v并叠加差频交流信号到运放器的同相端，if接收混频器的输出信号，过滤掉直流分量后，送入运放器的同相端，其增益为ag＝r40/r42＝5.1，输出信号tp2送入信号处理电路的adc。
[0065]
本实施例的工作原理为：信号发射电路驱动超声波接收探头发射超声波，所述超声波从最底层的水层穿过不同水层并在水表面形成反射，其回波信号被超声波接收探头接收，并经回波接收电路放大后输入至混频电路，混频电路将回波信号与另一路同频同相位的450khz信号做矢量减法后输出差频信号，所述差频信号经信号放大电路放大后输出至信号处理电路，信号处理电路对过不同的信号处理方法，把自旋转和突入物带入的误差过滤掉，计算出真实的不同水层流速。
[0066]
本实施例的有益效果为：通过设置混频电路将回波信号与另一路同频同相位的参考信号混频后过滤掉发射基频并输出差频信号，所述差频信号包含了不同水层流速数据，基于超声波在水中回传的回波信号时间先后将所述差频信号的ad值图谱按照数据长度分割为与水层数相同的块，每个块对应一个水层数据，为后续无效流速识别和分层流速计算
提供数据支撑。
[0067]
实施例2
[0068]
由于漂浮物在水中的自旋转以及突入物进入测量区间后对瞬时流速的影响都有较大的误差，因此，在实施例1的基础上，本实施例提供一种基于超声波多普勒测量线流速的方法，通过信号处理方法识别自旋转和突入物带入的误差并过滤掉，计算出真实的不同水层流速。如图7所示，具体包括以下步骤：
[0069]
s1、超声波探头周期性地发射频率信号，并接收回波信号，所述回波信号与另一路同频同相信号混频后得到不同水层形成的差频信号，若干个所述差频信号进行ad转换后形成若干张图谱；
[0070]
优选的，本实施例每隔96ms的间隔时间发射4ms的超声波信号，共存储 10组数据并形成10张图谱，其中，每组数据包括16384个int数据。
[0071]
s2、基于离散小波变换识别每层水层的无效流速特性信号和真实流速信号，对每层水层的真实流速信号进行分时傅里叶变换获取每层真实流速信号的频率值，基于多普勒移频公式计算每层水层流速值。
[0072]
其中，s2具体包括以下步骤：
[0073]
s101、将每张图谱的缓存数据等分为与水层数相同的块，每个块对应一个水层信号数据；
[0074]
优选的，本步骤是为了获取每层水层的数据。本实施例以水深5以及4层水层为例，总共采集10组数据。每张图谱的缓存数据占用16384个int数据，因此，本实施例中，[0,4095]数据长度为第一水层信号数据，[4096,8191]数据长度为第二水层信号数据，[8192,12287]数据长度为第三水层信号数据， [12287,16383]数据长度为第四水层信号数据。
[0075]
s102、使用daubechies小波6阶变换定位每层水层信号数据中所有特征频率对应的时域位置；
[0076]
优选的，离散小波变化可以在不同分辨率级上对原始信号进行分解，得到两个子信号，分别为平滑信号和细节信号，其中平滑信号是分解到低一级上的，其反应的是信号序列的概貌和变化趋势，细节信号是分解到高一级上的，其反应的是信号序列的细节变化。通过这样的分解，把原始信号中不同时间段的信号分解出来。本步骤是将每层水层信号数据进行时域展开，具体包括以下步骤：
[0077]
s201、对每层水层信号数据进行6阶小波变换获取最小分辨率在[0-160]hz、占用64个int数据长度的窗；
[0078]
优选的，由于回波信号中一层水层信号数据中叠加了不同水层流速信号，采用小波分解得到的每个分解层都是在用不同的尺子对原始信号进行度量。所以，有几个分解层数就有几把尺子，而分析频率决定了分解层数，即需要用到多精细的尺子来对信号进行度量，若所述尺子选取不当，则无法将每层水层信号数据中包含的频率信号区分开。经过试验得知，小波分解的分解层数定为6 层时，具有较高的分辨率，能够识别回波信号中所有频率信号，从而得到每层水层的真实水流频率信号以及无效干扰频率信号。
[0079]
优选的，本实施例的采样频率优选为20480hz，因此，每张图谱分解前频率为20480hz。由于每层水层信号数据离散小波变换方法原理相同，因此，在此只介绍第一组图谱中第一层水层信号数据的离散小波变换分解过程。具体的，第一水层信号数据分解前对
应的频率为20480hz，第一水层信号数据经6阶分解后最后形成第一水层的实时数据分解图。如图10所示，经过一级分解频率后，得到两个子信号，分别用d1和a1表示两个子信号，其中，d1一级分解频率为： d1[0,5120]hz；a1一级分解频率为：a1[5120,10240]hz；d1二级分解频率为 d11[0,2560]hz、d12[2560,5120]hz，a1二级分解频率为a11[5120hz,7680]hz和 a12[7680,10240]hz；d1三级分解频率为d111[0,1280]hz、d112[1280,2560]hz、 d121[2560,3840]hz、d122[3840,5120]hz；a1三级分解频率为 a111[5120hz,6400]hz、a112[6400,7680]hz、a121[7680,8960]hz、 a122[8960,10240]hz；如此继续往下分第4级，第5级，第6级，使第6级最小分辨率在[0,160]hz，占用数据长度64int。
[0080]
图8为接收到的回波信号，图8中的回波信号叠加了100hz、4khz、500hz 和7khz的不同流速信号，分别用f1-f4表示；图9为小波变换图，小波变换图中拆解了其中一部分信号，因为原始信号包含为f1、f2、f3和f4四种不同频率信号，根据上面数据分解的原理可知：
[0081]
1)d1窗口为[0,5120]hz，a1窗口为[5120,10240]hz信号，f1、f3在d1窗口中信号识别最大；f4在a1窗口中信号识别最大；f2虽然在d1窗口与a1窗口中都能被识别，因此第一级分解无法过滤开f2信号；
[0082]
2)d11窗口为[0,2560]hz，d12窗口为[2560,5120]hz，因此f1、f3在d11 窗口中信号识别最大，f2在d12窗口中信号识别最大；
[0083]
3)d111窗口为[0,1280]hz，d112窗口为[1280,2560]hz，因此f1、f3在d111 窗口中信号识别最大，f3在d112窗口中的信号小于d111窗口；
[0084]
4)d1111窗口为[0,640]hz，d1112窗口为[640,1280]hz，因此f1、f3在d1111 窗口中信号识别最大，f3在d1112窗口中信号小于d1111窗口；
[0085]
5)d11111窗口为[0,320]hz，d11112窗口为[320,640]hz，f1在d11111窗口中信号识别最大，f3在d11112窗口中信号识别最大；
[0086]
6)d111111窗口为[0,160]hz，d111112窗口为[160,320]hz，f1在d111111 窗口中信号识别最大。
[0087]
上述列举的是原始信号包含4个不同频率的信号组合，而6阶小波变换可以把所有的不同频率的信号通过加窗中单独显示，只有把所有的频率信号都识别出来，才能开始做识别处理。
[0088]
本实施例中，如图10所示，用d[0]-d[9]分别表示10张图谱中第一层水层信号数据经6阶分解后的实时数据分解信号，具体的：
[0089]
d[0]＝d1[0] a1[0]＝d11[0] d12[0] a11[0] a12[0]＝....＝d111111[0] d11111 2[0] d111121[0] d111122[0] .... a122221[0] a122222[0]；
[0090]
d[1]＝d1[1] a1[1]＝d11[1] d12[1] a11[1] a12[1]＝....＝d111111[1] d11111 2[1] d111121[1] d111122[1] .... a122221[1] a122222[1]；
[0091]
......
[0092]
d[9]＝d1[9] a1[9]＝d11[9] d12[9] a11[9] a12[9]＝....＝d111111[9] d11111 2[9] d111121[9] d111122[9] ... a 122221[9] a 122222[9]。
[0093]
其中，d1[0]-d1[9]分别表示10张图谱中第一层水层信号的d1一级分解频率；a1[0]-a1[9]分别表示10张图谱中第一层水层信号的a1一级分解频率； d11[0]-d11[9]以及d12[0]-d12[9]分别表示10张图谱中第一层水层信号的d1 两个二级分级频率；a11[0]-a11
[9]以及a12[0]-a12[9]分别表示10张图谱中第一层水层信号的a1两个二级分级频率；依次类推，直至最后一级分解频率。经过6级分解后的数学表达式为：
[0094]
fd(n)＝fd111111(n) fd111112(n) fd111121(n) fd111122(n) ... fa122221(n) fa12222(n) 其中，n表示第n张图谱。
[0095]
s202、抓取不同窗内小波变换后最大的幅值信号；
[0096]
优选的，具体方式为：取x-i、x和x i，x-i∈[1:64]，x∈[1:64]，x i∈[1:64]，若fd111111(x i)≤fd111111(x)且fd111111(x-i)≤fd111111(x)，则有 fd111111max(x)＝fd111111(x)，相同方法可得fd111112max(x)、...、fa122222max(x)。其中，x表示第x个int数据，i表示i个int数据。
[0097]
s203、归一化不同窗口抓取幅值最大的幅值信号；
[0098]
具体的：归一化所有的fd.max(x)、fa.max(x)为f.max(x)，x∈[1,2,...,64]；
[0099]
s204、基于不同水层和不同时刻的频率信号构建多维矩阵。
[0100]
具体的：对应于不同水层的m和不同图谱的n，则有f.max[n][m](x)，第n张图谱，m表示水层，x表示第x个int数据，本实施例中， n∈[1,2,...10]，m∈[1,2,3,4]，x∈[1,2,...,64]。
[0101]
s103、若相同水层、不同时刻出现不同频率特征的流速信号，则所述流速信号为突入物干扰信号；
[0102]
若不同水层、相同时刻出现不同频率特征的流速信号，则所述流速信号为自旋转干扰信号；
[0103]
若不同水层、不同时刻出现符合流速分层的流速信号，则所述流速信号为真实流速信号；
[0104]
本步骤用于识别并提取每层水层的真实流速信号。经过上述步骤s1获取10 组数据，步骤s101将每组数据划分为与水层数相同的块，步骤s102将每层水层信号数据的频率进行时域展开，此时，基于突入物进入水层后频率变化特征判断突入物干扰信号，基于自旋转对水层频率变化特征判断自旋转干扰信号，基于每层流速信号是否符合流速分层规律判断真实流速信号。优选的，s103具体包括以下步骤：
[0105]
s301、设置第一窗长阈值，选取同一水层、不同时刻的水层信号数据，将两个数据长度之差大于第一窗长阈值的频率信号定义为第一特征点，若两个第一特征点不相等，则定义为相同水层、不同时刻出现不同频率特征的流速信号，判定所述流速信号为突入物干扰信号；
[0106]
一般的，突入物由于树叶掉入或是杂物抛入等不同条件产生，在多普勒测速仪多次发射超声波信号并接收回波信号的过程中，如果在相同水层中前n1次都没有识别到mh频率，中间n1-n2次却识别到了mh，其前后频率差异很大，则出现mh频率的信号一定为突入物。
[0107]
优选的，第一窗长阈值用δε表示，由于最小的窗占用64int，因此，本实施例中，δε＝64。
[0108]
s302、设置第二窗长阈值，第二窗长阈值大于第一窗长阈值，选取不同水层、相同时刻的水层信号数据，将两个数据长度之差大于或等于第二窗长阈值的频率信号定义为第二特征点，若两个第二特征点不相等，则定义为不同水层、相同时刻出现不同频率特征的流速信号，判定所述流速信号为自旋转干扰信号；
[0109]
一般的，自旋转水流的产生可能是因为流体力学上产生的漩涡，也可能是因为杂物缠绕而引起的自身转动，自旋转会产生流速，但是这个流速并不是真实的水流速度，如果引入自旋转流速的话，一定会增加真实流速值，而这个值其实是错误的。因为设备是以30
°
角度安装在水底，自旋转干扰可以干扰到某一层水流信号，通过比较不同水层之间同一时刻接收的回波流速信号差异是否很大来识别出自旋转干扰。
[0110]
优选的，第二窗长阈值用δε'表示，δε'＝3δε。
[0111]
s303、设置第三窗长阈值，第三窗长阈值大于或等于第一窗长阈值且小于第二窗长阈值，选取不同水层、不同时刻的水层信号数据，将两个数据长度之差等于第三窗长阈值的频率信号定义为第三特征点，若两个第三特征点相等，则定义为不同水层、不同时刻出现符合流速分层的流速信号，判定所述流速信号为真实流速信号。
[0112]
一般的，识别到突入物干扰信号和自旋转干扰信号后，还需要识别出真实的流速信号，在真实的不同水层流速信号中，其分布规律是v1≤v2≤v3≤v4，其中，v1表示底层流速、v2表示中间下层流速、v3表示中间上层流速，v4表示表面流速，其中v4与v1的频率差异不会超过流速分层规律。
[0113]
优选的，第三窗长阈值用δε”表示，δε≤δε”＜δε'。
[0114]
s104、提取每层水层的真实流速信号，对每层水层信号数据进行分时傅里叶变换获取不同水层中真实流速信号的频率值，将不同水层的频率值分别代入多普勒移频公式计算不同水层的流速。
[0115]
经过上述步骤后可以获取每层水层信号数据中的真实流速信号，但是上述步骤获取的真实流速信号只能判断真实流速信号所在窗和对应的时域，并不能获取不同水层真实流速信号的频率值，因此，本步骤通过傅里叶变换获取不同水层真实流速信号的频率值，将频率值分别代入多普勒移频公式即可计算不同水层的流速。优选的，s104具体包括以下步骤：
[0116]
s401、对每层水层信号数据做傅里叶变换获取每个块中不同频率分量的能量值及其模值；
[0117]
优选的，s401中不同频率分量的能量值及其模值分别为：
[0118][0119][0120]
其中，因子为：e
jw
＝cos(y) j*sin(y)；式中， x(k)和为傅里叶变换后的频率分量，k为第k个差频信号频点；y是时域ad信号；w表示角度；q为序列；n表示傅里叶变换的窗口大小，n＝4096。
[0121]
第k个频点的模值为：第一个频点直流分量，其模值为
从第二个点开始为不同频率分量。
[0122]
s402、取每层水层信号数据内最大模值对应的频率点为最大信号频点，并基于频率计算公式计算最大信号频点的频率，所述最大信号频点的频率为真实流速信号的频率；
[0123]
优选的，频率计算公式为：式中，m表示第m层水层；f(m) 表示第m层水层中真实流速信号的频率；k(m)表示第m层水层的最大差频信号频点；fs表示采样频率；n表示傅里叶变换的窗口大小，n＝4096。
[0124]
s403、分别将每层水层的真实流速信号的频率代入多普勒移频公式计算不同水层的流速。
[0125]
优选的，多普勒移频公式为：式中，f表示超声波探头发射频率；fd表示接收到的频率，fd＝f-f(m)；c表示超声波速度；v(m)表示第 m层的流速；θ表示水流和超声波入射波的夹角。
[0126]
本实施例的有益效果为：通过采用小波6阶变换可以将回波信号中叠加的不同水层信号频率展开，具有较高的分辨率，能够识别回波信号中所有频率信号，定位每层水层信号数据中所有特征频率对应的时域位置，从而得到每层水层的真实水流频率信号以及无效干扰频率信号；
[0127]
通过比较相同水层、不同时刻，或不同水层、相同时刻，或不同水层、不同时刻的频率特征，识别的流速信号突入物干扰信号、自旋转干扰信号和真实流速信号，解决现有超声波多普勒流速设备无法识别并过滤掉无效流速的问题；
[0128]
通过采用分时傅里叶变换计算每层水层的真实流速信号的频率值，并基于多普勒移频公式即可计算不同水层的流速，解决现有单台超声波多普勒流速设备无法计算分层流速，并且通过本实施例的方法获取的真实流速值更贴近真实情况。
[0129]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。