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一种在声学多普勒流速剖面仪中获取径向水流速度的方法.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201310561947.5

申请日:

2013.11.12

公开号:

太阳城集团CN103630706A

公开日:

2014.03.12

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 专利权的转移IPC(主分类):G01P 5/24登记生效日:20160612变更事项:专利权人变更前权利人:方世良变更后权利人:南京世海声学科技有限公司变更事项:地址变更前权利人:210018 江苏省南京市玄武区兰园28号8幢503室变更后权利人:211112 江苏省南京市江宁区彤天路101号千人之家401|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01P 5/24申请日:20131112|||公开
IPC分类号: G01P5/24 主分类号: G01P5/24
申请人: 方世良
发明人: 方世良; 韩宁
地址: 210018 江苏省南京市玄武区兰园28号8幢503室
优先权:
专利代理机构: 南京天翼专利代理有限责任公司 32112 代理人: 汤志武
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法律状态
申请(专利)号:

CN201310561947.5

授权太阳城集团号:

|||||||||

法律状态太阳城集团日:

2016.06.29|||2015.08.05|||2014.04.09|||2014.03.12

法律状态类型:

太阳城集团专利申请权、专利权的转移|||授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

一种在声学多普勒流速剖面仪中获取径向水流速度的方法,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:首先,依据测量环境中水流的方向和缓急情况,设定径向水流速度的搜索范围和点数,然后对应各搜索点的径向流速设计匹配信号,将对应各径向流速的匹配信号与声波换能器接收的回波信号进行匹配滤波操作,并对匹配滤波结果进行搜索,匹配滤波结果的最大值所对应的径向流速即为所需测量的径向流速。

权利要求书

权利要求书
1.  一种在声学多普勒流速剖面仪中获取径向水流速度的方法,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:首先,依据测量环境中水流的方向和缓急情况,设定径向水流速度的搜索范围和点数,然后对应各搜索点的径向流速设计匹配信号,将对应各径向流速的匹配信号与声波换能器接收的回波信号进行匹配滤波操作,并对匹配滤波结果进行搜索,匹配滤波结果的最大值所对应的径向流速即为所需测量的径向流速;包括以下步骤:
(1)设定径向流速的搜索范围vL~vH和搜索点数N,则预搜索的各径向流速为vi=vL+i*(vH-vL)/(N-1),i=0,1,...,N-1,其中,径向流速搜索范围的下边界vL和上边界vH以待测径向流速不会超过此搜索范围为依据,径向流速的搜索点数N以所需的径向流速测量精度为依据,N越大,径向流速测量精度越高;
(2)将声波换能器的发射信号进行采样频率为fsc/(c-2vi)的采样,获得对应于每一个径向流速vi的匹配信号hi(n),其中fs为声波换能器接收信号的采样频率,c为水中的声速;
(3)将声波换能器接收的回波信号x(n)与(2)中的匹配信号hi(n)进行匹配滤波操作,即完成将max(yi(m))与vi一一对应,结果最大者则意味着此径向流速对应的匹配信号与声波换能器接收的回波信号之间获得了完全匹配,则此匹配信号所对应的径向流速即为待测的径向流速,即最大的max(yi(m))所对应的vi即为所求的径向流速,其中,max(yi(m))代表取向量yi(m)的最大值。

说明书

说明书一种在声学多普勒流速剖面仪中获取径向水流速度的方法
技术领域
本发明涉及一种在声学多普勒流速剖面仪(ADCP)中获取径向水流速度的方法,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 Current Profiler,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,由声波换能器接收,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。
径向流速估计的准确性直接影响到水流速度测量结果的准确性,因此成为ADCP的关键技术之一。很多算法可用于估计多普勒频移,进而测算出径向流速,其中大部分是基于最大似然(ML)方法。这些算法的计算较为复杂,目前并不适合ADCP快速灵活的测量要求。减小频域估计器计算量常用的方法是基于时域相位的估计思想。Kay给出了延迟采样间隔的相位差分估计器(Steven Kay.A fast and accurate single frequency estimator,IEEE transactions on acoustics,speech and signal processing.1989,Vol37(12):pp.1987-1990)。以此为基础,不同延迟和不同权重的时域频率估计器相继出现(M.P.Fitz.“Further results in the fast estimation of a single frequency,”IEEE Trans.Commun.,vol.42,no.2–4,Feb.–Apr.1994:pp.862-864;S.S.Abeysekera.“Performance of pulse-pair method of Doppler estimation,”IEEE Trans.Aerosp.Electron.Syst.,vol.34,no.2,Apr.1998:pp.520-531)。这些估计器在性能上比Kay的估计器有所提高,但是以限制频率估计范围或增加计算量为前提的。Brown和Wang(T.Brown,M.Wang.An iterative algorithm for singlefrequency estimation,IEEE Trans.Signal Process.50(11)(2002):pp.2671-2682),肖扬灿(Y.C.Xiao.,et al.Autocorrelation-based algorithm for single-frequency estimation,Signal Processing87(2007):pp.1224–1233)分别给出各自的循环频率估计器,但这些频率估计器性能的提高也是以增加计算复杂性为代价的。
其它频率估计的典型算法包括过零检测法(V.A.Friendman,Zero crossing algorithm for the estimation of the frequency of a single sinusoid in white noise.IEEE Trans.On Signal Processing,1994,43(6):pp.1565-1569),自适应法(D.G.Manolakis著,周正译.统计与 自适应信号处理.北京:电子工业出版社.2003)等。过零检测法的运算量小且实现逻辑简单;自适应法可实现高精度和连续调节的窄带频率估计。以上两种算法均无法应用于宽带回波的多普勒频移估计。复自相关技术(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;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;朱昊,刘文耀等.复自相关技术在声学多普勒流速剖面仪中的应用及其定点DSP实现,兵工学报,2006,27(3):pp.451-457)适用于宽带信号的处理,被大量应用于ADCP中;在此基础上,刘德铸(刘德铸.声学多普勒流速测量关键技术研究.哈尔滨工程大学,工学博士学位论文.2010)详细讨论了三种多普勒测流方式:非相干、相干和宽带方式,但其应用范围受到一些条件的限制。
由于传统的ADCP是对水体中不规则散射体的散射回波进行多普勒频移估计进而测算径向流速,因此微弱回波条件下的检测精度将直接影响ADCP的测量性能。欲提高对微弱信号的检测能力,同时获得较高的频率分辨力,最直接的方法是增加发射信号的长度。对窄带信号来讲,发射信号长度的增加将降低其测距能力,因此常采用宽带信号,如线性调频信号、相位编码信号等,作为声波换能器的发射信号以提高测距精度。但采用常规方法对宽带信号进行检测时,通常仅针对中心频率或若干频率点进行处理,未反映整个宽带频谱的多普勒频移规律,在这种情况下以宽带信号作为发射信号往往不能兼顾测速精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种在声学多普勒流速剖面仪(ADCP)中获取径向流速的方法,该方法不经过多普勒频移估计来测算径向水流速度,采用的技术方案如下:
一种在声学多普勒流速剖面仪中获取径向水流速度的方法,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:首先,依据测量环境中水流的方向和缓急情况,设定径向水流速度的搜索范围和点数,然后对应各搜索点的径向流速设计匹配信号,将对应各径向流速的匹配信号与声波换能器接收的回波信号进行匹配滤波操作,并对匹配滤波结果进行搜索,匹配滤波结果的最大值所对应的径向流速即为所需测量的径向流速;包括以下步骤:
(1)设定径向流速的搜索范围vL~vH和搜索点数N,则预搜索的各径向流速为 vi=vL+i*(vH-vL)/(N-1),i=0,1,...,N-1,其中,径向流速搜索范围的下边界vL和上边界vH以待测径向流速不会超过此搜索范围为依据,径向流速的搜索点数N以所需的径向流速测量精度为依据,N越大,径向流速测量精度越高;
(2)将声波换能器的发射信号进行采样频率为fsc/(c-2vi)的采样,获得对应于每一个径向流速vi的匹配信号hi(n),其中fs为声波换能器接收信号的采样频率,c为水中的声速;
(3)将声波换能器接收的回波信号x(n)与(2)中的匹配信号hi(n)进行匹配滤波操作,即完成将max(yi(m))与vi一一对应,结果最大者则意味着此径向流速对应的匹配信号与声波换能器接收的回波信号之间获得了完全匹配,则此匹配信号所对应的径向流速即为待测的径向流速,即最大的max(yi(m))所对应的vi即为所求的径向流速,其中,max(yi(m))代表取向量yi(m)的最大值。
本发明的优点和有益效果是:本发明在预搜索的径向流速范围内设计匹配信号,经过与声波换能器接收的回波信号的匹配滤波处理及后续搜索,来获取待测径向流速。与常规的对水体中不规则散射体的散射回波进行多普勒频移估计进而测算径向流速的方法相比,本发明实现步骤简单,测量结果准确,适合ADCP快速灵活的测量要求,尤其对于微弱、宽带回波信号的检测,能同时兼顾测距、测速精度。
附图说明
图1为提高采样频率生成匹配信号,实现与声波换能器接收的回波信号(频率降低)完全匹配的原理图;
图2为降低采样频率生成匹配信号,实现与声波换能器接收的回波信号(频率升高)完全匹配的原理图;
图3为本发明实施例的具体实现过程;
图4为本发明实施例的径向流速为7.5m/s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所示,代表提高采样频率生成匹配信号,从而实现匹配信号与频率降低的回 波信号之间的完全匹配,即匹配滤波结果达最大值。图1(a)为发射信号s(n)的波形,通过水体中散射体产生散射回波,由声波换能器接收。在径向流速v为正值的情况下,多普勒频移为负值(其中f0代表发射信号的频率),因此回波信号的频率降低,波形发生改变,如图1(b)所示。按fsc/(c-2v)的采样频率对发射信号s(n)进行重新采样,如图1(c)所示,所得的匹配信号h(n)与回波信号可实现完全匹配(其中fs为声波换能器接收信号的采样频率),如图1(d)所示,此时匹配滤波结果获得最大值。
如图2所示,代表降低采样频率生成匹配信号,从而实现匹配信号与频率升高的回波信号之间的完全匹配,即匹配滤波结果达最大值。图2(a)为发射信号s(n)的波形,通过水体中散射体产生散射回波,由声波换能器接收。在径向流速v为负值的情况下,多普勒频移为正值,因此回波信号的频率升高,波形发生改变,如图2(b)所示。按fsc/(c-2v)的采样频率对发射信号s(n)进行重新采样,如图2(c)所示,所得的匹配信号h(n)与回波信号可实现完全匹配,如图2(d)所示,此时匹配滤波结果获得最大值。
基于以上原理,在测量径向流速的过程中,首先设定预搜索的径向流速范围和点数,并设计相对应的匹配信号;对各匹配信号与声波换能器接收的回波信号的匹配滤波结果进行搜索,结果最大则意味着此匹配信号与声波换能器接收的回波信号之间获得了完全匹配,此匹配信号所对应的径向流速即为待测的径向流速。图3是获取径向流速的具体实现过程。
图4是依据图3的一个具体实施例。设径向流速为7.5m/s,水中声速c=1500m/s;发射信号为18kHz~22kHz的线性调频信号,脉宽为0.001s;声波换能器的采样频率fs=200kHz,其接收的回波信号x(n)如图4(a)所示。测量径向流速的具体方法如下:
A)由测量环境中水流的方向和缓急情况,设定径向流速搜索范围为0m/s~10m/s,以确保待测径向流速包含在此搜索范围内;设定搜索点数N=21,则径向流速测量精度为0.5m/s,预搜索的各径向流速为v0=0m/s,v1=0.5m/s,…,v20=10m/s。对应每一vi,对发射信号进行采样频率为fsc/(c-2vi)的采样,获得匹配信号hi(n),其中i=0,1,…,20。
B)将各匹配信号hi(n)与声波换能器接收的回波信号x(n)进行匹配滤波操作共获得20组匹配滤波结果,图4(b)为其中一个匹配信号h20(n)与声波换能器接收的回波信号x(n)进行匹配滤波的结果y20(m)。
C)图4(c)为各yi(m)的最大值与vi一一对应的结果。图中曲线的最大值,即曲线上圆点所对应的7.5m/s,即为所测量的径向流速。

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