[發明專利]一種基于自相關估計及有效數據篩選的水聲多普勒流速測量方法

有效

• 申請號: 201810950528.3
• 申請日: 2018-08-20
• 公開（公告）號: CN109270295B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 方世良;楊永壽;孫兆文
• 申請（專利權）人: 南京世海聲學科技有限公司
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24
• 代理公司: 南京禾易知識產權代理有限公司 32320
• 代理人: 徐莉芳

本發明公開了一種基于自相關估計及有效數據篩選的水聲多普勒流速測量方法，涉及聲學多普勒測量技術領域，包括估算復自相關函數值R(τ)、估算信號總功率R(0)、計算聲吶回波樣本的精度判據η(v)，最后通過閾值判斷決定是否保留當前樣本。本發明通過回波自相關估算精度判據數值與設定閾值的關系對測量數據樣本進行篩選，提高水下聲學流速估計的精度，實測數據分析表明此方法可明顯減小流速估計的方差，提高水聲測速設備的關鍵性能。

技術領域

本發明涉及聲學多普勒測量技術領域，尤其涉及一種基于自相關估計及有效數據篩選的水聲多普勒流速測量方法。

背景技術

水體流速、水下目標的運動速度等是水聲測量中非常重要的測量對象。常見的水聲流速測量方法大多是基于多普勒原理的，測流的設備包括聲學多普勒流速剖面儀和聲學多普勒流速儀等。通常的測速聲吶的工作過程如下：首先向探測水域發射一個載波頻率為幾十kHz到幾百kHz的調制短脈沖，聲波遇到水中的散射體產生聲散射，其中極小功率的散射聲波會被接收換能器接收并轉化為電信號，再經信號調理、正交解調、模數轉換和信號處理后得到探測水域各個水層的回波強度、水流速度等。

在分析測速聲吶實測數據的時候發現經常會出現一些流速數值嚴重偏離均值的采樣點，因此在信號處理階段進行數據質量的判斷進而對回波數據進行篩選是必要的。流速數值的波動在頻譜上最直接的反應就是回波頻譜寬度的展寬。下面分析引起回波頻譜寬度展寬的因素，為產生數據質量的判據提供理論支持。(一)散射體速度的一致性。自然水體中散射體的體積相對于聲吶的發射波束照射范圍來說通常非常的小。比如海水中的散射體粒徑大都分布在20μm～200μm范圍內，而以波束寬度為3°的波束為例，其在距離R處的照射直徑約等于0.052R，遠遠大于散射體的粒徑。因此距離R處回波的多普勒信息是由波束照射范圍內所有散射體的運動情況疊加而成的。如果這些散射體的速度一致性較好，則回波頻譜的展寬就不明顯；如果它們的速度差異較大，則會帶來回波頻譜的明顯展寬。譜寬越寬則多普勒頻移的估計標準差越大，估計出的流速偏離均值會越大。這就是根據頻譜寬度的估計值來判斷數據質量的理論支撐。(二)聲波波束的寬度和發射帶寬。發射波束的寬度越寬，意味著同一深度上更大的波束照射范圍，即更多的散射體運動特性的疊加，這會增大回波頻譜的寬度和流速估計的標準差。發射機和換能器的工作帶寬越大，意味著實際發射到水中的波形帶寬的加寬，進而帶來回波譜寬的增大。和脈沖寬度因素類似，對于一臺實際的聲吶設備來說，此項因素對頻譜寬度的影響程度是確定的。(三)降低信噪比的因素。影響回波信噪比的因素主要有發射功率、傳播距離、散射體濃度等。信噪比下降以后，回波頻譜寬度會隨之展寬，流速估計的標準差會隨之增大。發射功率越小、傳播距離越遠則回波信噪比越小，這是顯而易見的。水中散射體數量很少會導致回波信噪比明顯下降。反之，散射體濃度太大會形成對深層水體回波的遮擋，進而降低其信噪比。(四)流速分布的不均勻。流速不均勻對回波譜寬的影響有二個層面。其一是沿波束方向流速變化越快，則每個水層中的散射體速度差異越大，回波譜寬自然會展寬，在分層流速估計時標準差就會增大。其二是上層水體的流動對于下層水體的回波來說是聲波傳播介質的運動，會帶來額外的多普勒頻移，進而會展寬回波的頻譜。需要注意的是，上下層流速的差異越大此種影響越明顯?？傊?，從估計譜寬的角度建立一種回波質量的判斷方法是可行的，可以一定程度上彌補由散射體運動特性不一致和回波信噪比下降帶來的流速估計標準差增大。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于自相關估計及有效數據篩選的水聲多普勒流速測量方法，基于回波的流速自相關估計精度判據，根據判據數值和設定閾值的關系對測速聲吶當次樣本進行篩選的方法。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于自相關估計及有效數據篩選的水聲多普勒流速測量方法，包括如下步驟：