[發(fā)明專利]一種寬帶束控聲學(xué)多普勒測流系統(tǒng)信號處理方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210434383.4
• 申請日: 2012-11-05
• 公開（公告）號: CN102928619A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 易志強;李蕓;戴紹港;趙知勁;張福洪
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬聲學(xué)多普勒測流信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬帶束控聲學(xué)多普勒測速系統(tǒng)的信號處理方法，用于聲學(xué)多普勒水流剖面儀和計程儀等設(shè)備估算水層或相對于水底運動速度信息。

背景技術(shù)

寬帶聲學(xué)多普勒測流系統(tǒng)利用水聲換能器向水介質(zhì)發(fā)射一個經(jīng)偽隨機序列進行相位編碼調(diào)制后的定向聲脈沖信號，然后接收從海水中的散射體上反射的回波信號，利用聲傳播路徑的時間差異轉(zhuǎn)換成不同的深度單元，測量各層回波信號的頻率信息，分析多普勒頻移變化，換算得到相對運動速度。

為測量三維空間的流速，水聲換能器通常采用束控技術(shù)發(fā)射和接收多個不同方向且各自獨立的波束。現(xiàn)今的聲學(xué)多普勒測流系統(tǒng)普遍采用相移束控技術(shù)，該束控技術(shù)對于窄帶信號效果十分理想，但當收發(fā)其它寬帶形式的信號時，相移束控使得不同頻率分量的信號發(fā)散到不同的角度，由此人為展寬了波束的寬度且產(chǎn)生了信號失真，造成了相控陣的孔徑效應(yīng)，對測流結(jié)果的精準度帶來較大的偏差。

發(fā)明內(nèi)容

???????本發(fā)明的目的在于解決上述方法的缺點和不足，提出一種寬帶束控聲學(xué)多普勒測流系統(tǒng)信號處理方法，可補償水聲換能器接收陣列各個回波波束的聲程差，使得信號不同頻率成分都指向了相同的方向，減少了合成波束的失真現(xiàn)象，并結(jié)合復(fù)相關(guān)測頻技術(shù)完成流速的估算。?

???????設(shè)寬帶聲學(xué)多普勒測流系統(tǒng)中進行相位編碼調(diào)制所用的偽隨機序列周期為，單個碼元周期為????????????????????????????????????????????????，相控換能器發(fā)射的聲脈沖信號的波長為，波束張角為，聲脈沖信號的載波頻率為，一次完整的測流過程中水聲換能器共發(fā)射K次聲脈沖信號，K為奇數(shù)。所述的處理方法處理步驟如下：

???????步驟（1）構(gòu)造水聲換能器發(fā)射聲波波束。設(shè)單次聲脈沖發(fā)射過程中，經(jīng)過相位編碼調(diào)制后的聲脈沖波形為，則按下式構(gòu)造四路束控波束并發(fā)射出去：

???????步驟（2）對相控換能器陣接收到的四路回波信號進行采樣，形成四路數(shù)字信號。采樣頻率，采樣后的信號為，其中表示信號對應(yīng)的路數(shù)，表示采樣點序號，表示采樣后數(shù)字序列的長度。

???????步驟（3）每路信號與本地頻率為的載波相乘，完成頻譜搬移。

并將頻譜搬移后的信號經(jīng)過-3dB帶寬為的數(shù)字低通濾波器，得到基帶信號。

其中，為低通濾波器單位沖激響應(yīng)函數(shù)。

???????步驟（4）對四路基帶信號按下式進行波束合成，得到兩路合成后的信號：

???????步驟（5）對合成后的兩路信號分別做Hilbert變換，得到兩路復(fù)信號和。

其中表示，表示Hilbert運算。

???????步驟（6）利用波束合成信號進行水底跟蹤判斷，以確定底回波前沿數(shù)據(jù)序號。判定方法為：計算合成信號中實部序列/中點的實時平均功率，取值由水底大致深度決定，范圍是120~9600。

?計算從回波接收開始至當前時刻，合成信號中實部序列和的實時平均功率：

???????如果且，則記錄此時的值作為底回波前沿數(shù)據(jù)序號，水底跟蹤成功，進入步驟（7）；否則重復(fù)步驟（6）。這里為功率檢測系數(shù)，取值范圍為1~20。

???????步驟（7）分別計算兩路合成信號的復(fù)相關(guān)值：

???????步驟（8）根據(jù)復(fù)相關(guān)結(jié)果計算相角：

??????，，，分別為兩個復(fù)相關(guān)值的相角。

???????步驟（9）根據(jù)相角計算出單次聲脈沖測流獲得的速度值：

數(shù)值的正負代表所測速度的方向與參考方向一致或相反。

???????步驟（10）重復(fù)步驟（1）~（9）完成K次發(fā)射聲脈沖的測流過程，并對得到的K個單次測流速度值按數(shù)值大小進行單調(diào)遞增排序后得到序列，最終測流速度值為

這里表示取中間值處理。

?????本發(fā)明中信號處理方法補償了水聲換能器接收陣列各個回波波束的聲程差，使得信號不同頻率成分都指向了相同的方向，減少了合成波束的失真現(xiàn)象，結(jié)合復(fù)相關(guān)測頻技術(shù)后能較大程度地提升寬帶學(xué)多普勒測流系統(tǒng)速度估算的精準度。

具體實施方式

???本發(fā)明方法的具體步驟是：