CN103728464B - 一种用于声学多普勒流速剖面仪的组合脉冲测速方法 - Google Patents

Abstract

一种用于声学多普勒流速剖面仪的组合脉冲测速方法，声学多普勒流速剖面仪采用声波换能器作为传感器，其发射的声波脉冲通过水体中不规则散射体产生散射回波，由声波换能器接收后，经分析处理获取径向水流速度，其特征在于：以组合脉冲作为声波换能器的发射信号，其回波信号由声波换能器接收后与发射的组合脉冲信号相乘，结果经低通滤波及后续的频谱分析，获取所需测量的径向流速。

Description

一种用于声学多普勒流速剖面仪的组合脉冲测速方法

技术领域

本发明涉及一种用于声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的组合脉冲测速方法，属于水声信号测量技术领域。

背景技术

与旋桨式和电磁式的流速仪不同，声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler CurrentProfiler，ADCP）用声波换能器作为传感器，其发射的声脉冲通过水体中不均匀分布的泥沙颗粒、浮游生物等散射体产生散射回波，由换能器接收，经多普勒频移估计而测算出径向流速，即与声波换能器发射的声波波束平行的水流速度部分，再根据声波波束和水流方向之间的角度计算出水流速度。ADCP能直接测出断面的流速剖面，具有不扰动流场、测验历时短、测速范围大等特点。

发射信号设计及其相应的信号处理技术是多普勒测流技术研究的一个重要方面。窄带为主的测流系统(Kuroda,Y.Development of a shipboard acoustic Doppler current profiler,OCEANS'88.A Partnership of Marine Interests.Proceedings)以单频宽脉冲作为发射信号。由于充分利用了发射平均功率，该信号作用距离通常可以达到较高的几百米量级。同时由于具体的系统硬件实现过程较简单，目前有相当数量的ADCP利用该信号形式进行发射。然而，该单频宽脉冲信号形式在测流时的空间分辨率较低，并不适于水流的高分辨测量。通过发射单频窄脉冲信号会使测流的空间分辨率提高，但损失了频率测量精度和作用距离。为解决这一问题，利用编码相干脉冲信号进行发射的宽带多普勒测流技术应运而生(B.H.Brumley,R.G.Cabrera,K.L.Deines,and E.A.Terray.“Performance of a broad-band acoustic Doppler current profiler,”IEEE J.Oceanic Eng.,vol.16,Oct.1991：pp.402-407;R.Pinkel and J.A,Smith.Repeat-sequencecoding for improved precision of Doppler Sonar and sodar.Journal of atmospheric and oceanictechnology,vol.9,1992：pp.149-163)，相关方法已经申请了美国专利(B.H.Brumley,R.G.Cabrera,K.L.Deines,and E.A.Terray.broad-band acoustic Doppler current profiler,US Patent，NO.5615173.Mar，1997)。该方法在改进频率测量精度和作用距离的基础上，空间分辨率较单频宽脉冲有所改善，但仍无法满足对流速剖面测量日益提高的空间分辨率要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的组合脉冲测速方法，该方法可获得比现有ADCP更高的空间分辨率，采用的技术方案如下：

一种用于声学多普勒流速剖面仪的组合脉冲测速方法，声学多普勒流速剖面仪采用声波换能器作为传感器，其发射的声波脉冲通过水体中不规则散射体产生散射回波，由声波换能器接收后，经分析处理获取径向水流速度，其特征在于：以组合脉冲作为声波换能器的发射信号，其回波信号由声波换能器接收后与发射的组合脉冲信号相乘，结果经低通滤波及后续的频谱分析，获取所需测量的径向流速；包括以下步骤：

（1）设组合脉冲x＝[x₁,x₂,...,x_N]是由N个子脉冲x_i组成，i＝1,2,...,N，各子脉冲x_i分别是宽度为W、频率为f_i＝f₀+Δf(i-1)的正弦波，用离散时间序列来表示即为 $x_i=[0,\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_i}{f_s}\right),\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_i\·2}{f_s}\right),\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_i\·3}{f_s}\right),...\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_i\·({\mathrm{Wf}}_s-1)}{f_s}\right)],$ 是一个长度为Wf_s的向量，那么x将是长度为NWf_s的向量，其中f₀代表第一个子脉冲的频率，Δf代表相邻子脉冲之间的频率差，f_s是发射信号的采样频率，它的取值应使Wf_s为整数；

（2）以组合脉冲x作为多普勒流速剖面仪的发射信号，那么以f_s作为采样频率的声波换能器接收的回波信号y＝[y₁,y₂,...,y_N]是由与发射子脉冲x_i相对应的回波子脉冲y_i组成，若多普勒频移不为0，那么y的长度将与x的长度不同；

（3）在x和y中选择较短的向量，在其尾部补零，使补零后的向量长度与较长向量的长度相等，将补零后的两个相同长度的向量x和y进行向量相乘，即相同位置处的元素逐个对应相乘，并经过低通滤器波输出z，低通滤波器的截止频率为Δf/2；

（4）对z做快速傅里叶变换（FFT）得到Z(f)，Z(f)中峰值点所对应的频率为F，由此计算径向流速其中c为水中声速，是发射信号的平均频率。

在组合脉冲总宽度一定的情况下，N取值越大，W越小，多普勒流速剖面仪的距离分辨率越高，但对回波信号的处理复杂度加大，f₀和Δf决定了组合脉冲的带宽f₀～f₀+Δf(N-1)，根据多普勒流速剖面仪的发射和接收换能器的性能指标选择，一般Δf/f₀取10^-2量级，且Δf应大于待测环境中最大多普勒频移的2倍。

本发明的优点和有益效果是：本发明以组合脉冲作为声波换能器的发射信号，其回波信号与原发射信号相乘，经低通滤波及后续的频谱分析获取多普勒频移，由此计算所需测量的径向流速。与常规的ADCP测速方法相比，本发明在保证频率分辨率的基础上，能获得更高的空间分辨率和作用距离，且实现步骤简单，适合ADCP快速灵活的测量要求。

附图说明

图1为组合脉冲信号作为ADCP的发射信号以提高空间分辨率的原理图；

图2为本发明实施例的具体实现过程；

图3为本发明实施例的径向流速为3m/s的测量结果；

图4为采用组合脉冲中的一个子脉冲作为发射信号的测量结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明的原理和实施过程。应理解此实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1、2所示，发射信号为组合脉冲x＝[x₁,x₂,x₃,...,x_N，其中各子脉冲的频率为f_i＝f₀+Δf(i-1)，i＝1,2,...,N。测量深度为h0的径向流速时，换能器接收的回波信号y由回波子脉冲y_i组成y＝[y₁,y₂,y₃,...,y_N]。若多普勒频移不为0，那么y的长度与x的长度不同。在x和y中选择较短的向量在其尾部补零，使补零后的向量长度与较长向量的长度相等。将补零后的两个向量x和y进行向量相乘，并通过截止频率为Δf/2的低通滤波（即差频操作），可得到各y_i对应的多普勒频移F_i。由于Δf/f₀通常取10^-2量级，所以各多普勒频移F_i的差异很小，在频谱图上表现为一个主峰，代表发射信号的平均多普勒频移F，由此可计算深度h₀的径向流速其中是发射信号的平均频率。测量深度为h₁的径向流速时，x_i的回波y_i与测量h₀时x_i+1的回波y_i+1出现重合；测量其余各深度的径向流速时，均存在同样的重合现象。尽管如此，在对应于待测深度的时间窗内对回波信号与发射信号进行差频操作，相邻深度的回波重合并不会影响对各测量深度的多普勒频移的估计。因此采用组合脉冲作为发射信号，可在保证频率测量精度和作用距离的基础上，获得更好的空间分辨率Δh＝c·W/2，而传统ADCP的空间分辨率约为Δh＝c·N·W/2。

图3是依据图2的一个具体实施例。设径向流速为3m/s，水中声速c=1500m/s，采样频率f_s=500kHz。使用组合脉冲测量径向流速的具体方法如下：

A)设计组合脉冲x作为ADCP的发射信号，其中组合脉冲的子脉冲个数N＝3，子脉冲宽度W＝0.1s，频率参数f₀＝49kHz，Δf＝1kHz，则各子脉冲的频率分别为f₁＝49kHz，f₂＝50kHz，f₃＝51kHz。

B)ADCP的接收信号为向量y，在本实施例中，y的长度大于x的长度，因此在x的尾部补零，使x与y的长度相等。将补零后的x与y进行向量相乘，并经过截至频率为500Hz的低通滤波器得到z；对z做FFT变换得到Z(f)，结果如图3所示，图中峰值所对应的频率F＝200Hz，由此计算待测的径向流速 $v=\frac{\mathrm{cF}}{2\stackrel{\‾}{f}}=3m/s,$ 其中 $\stackrel{\‾}{f}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i/N=50\mathrm{kHz}.$

图4为相同条件下，采用第二个子脉冲（脉冲宽度W＝0.1s，频率f＝50kHz）作为ADCP的发射信号进行流速测量所获得的Z(f)。由于脉冲宽度小，采用一个子脉冲作为发射信号，其作用距离较短，且频率分辨率较差（图4中的峰值没有图3的尖锐）；但二者可获得相同的空间分辨率Δh＝c·W/2。因此采用组合脉冲作为发射信号可在满足较好的空间分辨率的条件下，获得较远的作用距离和更好的频率分辨率。

Claims (2)

1.一种用于声学多普勒流速剖面仪的组合脉冲测速方法，声学多普勒流速剖面仪采用声波换能器作为传感器，其发射的声波脉冲通过水体中不规则散射体产生散射回波，由声波换能器接收后，经分析处理获取径向水流速度，其特征在于：以组合脉冲作为声波换能器的发射信号，其回波信号由声波换能器接收后与发射的组合脉冲信号相乘，结果经低通滤波及后续的频谱分析，获取所需测量的径向流速；包括以下步骤：

(1)设组合脉冲x＝[x₁,x₂,...,x_N]是由N个子脉冲x_i组成，i＝1,2,...,N，各子脉冲x_i分别是宽度为W、频率为f_i＝f₀+Δf(i-1)的正弦波，用离散时间序列来表示即为 $x_i=[0,\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_i}{f_s}\right),\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_i\·2}{f_s}\right),\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_i\·3}{f_s}\right),...\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_i\·({\mathrm{Wf}}_s-1)}{f_s}\right)],$ 是一个长度为Wf_s的向量，那么x将是长度为NWf_s的向量，其中f₀代表第一个子脉冲的频率，Δf代表相邻子脉冲之间的频率差，f_s是发射信号的采样频率，它的取值应使Wf_s为整数；

(2)以组合脉冲x作为多普勒流速剖面仪的发射信号，那么以f_s作为采样频率的声波换能器接收的回波信号y＝[y₁,y₂,...,y_N]是由与发射子脉冲x_i相对应的回波子脉冲y_i组成，若多普勒频移不为0，那么y的长度将与x的长度不同；

(3)在x和y中选择较短的向量，在其尾部补零，使补零后的向量长度与较长向量的长度相等，将补零后的两个相同长度的向量x和y进行向量相乘，即相同位置处的元素逐个对应相乘，并经过低通滤波器输出z，低通滤波器的截止频率为Δf/2；

(4)对z做快速傅里叶变换得到Z(f)，Z(f)中峰值点所对应的频率为F，由此计算径向流速其中c为水中声速，是组合脉冲信号的平均频率。

2.根据权利要求1所述的用于声学多普勒流速剖面仪的组合脉冲测速方法，其特征在于：组合脉冲的带宽f₀～f₀+Δf(N-1)由f₀和Δf决定，根据声学多普勒流速剖面仪的声波换能器的性能指标选择，Δf/f₀取10^-2量级，且Δf应大于待测环境中最大多普勒频移的2倍。