CN100360941C - 声多普勒海流剖面仪测量海流剖面流速的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声多普勒海流剖面仪测量流速的方法，首先预估船速和流速的矢量和V的估计值V_E，然后根据估计值V_E设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第一时间间隔T₁；根据第一时间间隔T₁选择相关脉冲对发射编码，并采用相关脉冲对协方差法测量流速，获得船速和流速的矢量和V的粗测值V_S；根据粗测值V_S设置第二时间间隔T₂；根据第二时间间隔T₂选择相关脉冲对发射编码，并采用相关脉冲对协方差法测量流速，获得船速和流速的矢量和V的精测值V_P；最后在测量结果中扣除船速获得流速。本发明的方法适用于航行中的载体，可在宽广的范围内适应载体的船速和流速的变化，同时达到标定的作用距离和测深精度。本发明的方法同样也适用锚系的载体，尤其是流速大的水域。

Description

声多普勒海流剖面仪测量海流剖面流速的方法和系统

技术领域

本发明涉及海流剖面流速的测量，更具体地说，涉及一种声多普勒海流剖面仪测量流速的方法和宽带声多普勒海流剖面仪。

背景技术

宽带声多普勒海流剖面仪是测量海流剖面流速的声学设备。目前，宽带声多普勒海流剖面仪的信号处理方法是相关脉冲对协方差法，它发射的脉冲对由两个子脉冲组成，每个子脉冲包括多个脉冲元，求两个子脉冲中对应脉冲元之间的相关函数的相位，由此求出流速。(参见文献[1]：Zhu Weiqing，etc，″Spectral moment estimatesof broadband backscattering acoustic wave in moving medium″，Chinese Journal ofAcoustics，Vol.15，No.2，1996，106-114)

它的速度估计V的标准偏差由下式表示

$\mathrm{\σ}\left(V\right)=V_a{\left[\frac{1}{16{\mathrm{\π}}^{5/2}{\mathrm{L\ρ}}^2}(1-{\mathrm{\ρ}}^2+2\frac{N}{S}+\frac{N^2}{S^2})\right]}^{1/2}---\left(1\right)$

其中，λ为剖面仪工作的中心频率对应的波长，T和ρ分别为相关脉冲对中两个子脉冲的时间间距和相关系数，L为子脉冲的脉冲元的个数，S/N为信噪比。特别是V_a＝λ/2T，称为模糊速度，当载体与海流间的相对速度超过V_a后，就会发生相位模糊。这里所说的相位模糊是指相位可以是φ±2mπ中的任一个值，其中m＝0，±1……±N。因此在发生相位模糊时，相位测不准，速度也测不准。

在B.H.Brumley等人的美国专利5208785、5483499和5615173“Broadbandacoustic Doppler current profiler”中介绍了锚系安装的宽带声多普勒海流剖面仪，海底有一沉块，用系缆与宽带声多普勒海流剖面仪相连，剖面仪的四个波束向上，测量剖面内的流速。剖面仪测量的是载体与海流的相对速度，是载体速度与流速的矢量和。通过锚系安装方式将载体速度限制得相当低，测量的主要是流速，而流速值比较小，可以避免发生相位模糊，容易获得准确的流速值。

但是，锚系安装的宽带声多普勒海流剖面仪存在不足。在实际工作中，常常希望将宽带声多普勒海流剖面仪安装在船上，在走航的过程中测量大面积海域的流场，此时剖面仪测量的是船速度与流速的矢量和，由于船速比流速大，常常使此速度矢量和大于模糊速度V_a，产生相位模糊，速度测不准。

因此就需要有一种宽带声多普勒海流剖面仪测量流速的方法，在该方法中，声多普勒海流剖面仪可以安装在航行中的载体上。还需要有一种宽带声多普勒海流剖面仪测量流速的方法，该方法能克服相位模糊，从而准确地测出流速。

发明内容

本发明的目的是为安装在航行中载体上的声多普勒海流剖面仪提供一种测量海流剖面流体速度的方法，并对。

为了实现上述目的，本发明提供一种声多普勒海流剖面仪测量海流剖面流速的方法，声多普勒海流剖面仪装载于载体上，包括如下步骤：

(1)预估一船速和流速的矢量和V的估计值V_E，该估计值V_E大于真实的船速和流速的矢量和V。

(2)根据估计值V_E设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第一时间间隔T₁，其中，T₁≤λ/(2V_E)，λ为剖面仪的工作中心频率对应的波长，优选0.7λ/(2V_E)≤T₁≤λ/(2V_E)。

(3)根据步骤(2)中的第一时间间隔T₁选择相关脉冲对发射编码，声多普勒海流剖面仪向待测的流体介质发射相关脉冲对信号，并根据回波信号采用相关脉冲对协方差法计算得到船速和流速的矢量和V的粗测值V_S。

(4)根据粗测值V_S设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第二时间间隔T₂，其中，T₂≤λ/(2V_S)，优选0.9λ/(2V_S)≤T₂≤λ/(2V_S)。

(5)根据步骤(4)中的第二时间间隔T₂选择相关脉冲对发射编码，声多普勒海流剖面仪向待测的流体介质发射相关脉冲对信号，并根据回波信号采用相关脉冲对协方差法计算得到船速和流速的矢量和V的精测值V_P。

(6)在精测值V_P中扣除船速，获得流速。

本发明还提供一种声多普勒海流剖面仪，包括计算机406，该计算机406内包括：

速度估计模块，用于存储预设的或外部输入的船速和流速的矢量和的V估计值V_E；；该估计值V_E的取值要比实际船速和流速的矢量和V要大；

第一设置模块，用于根据速度估计模块中的估计值V_E设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第一时间间隔T₁，其中，T₁≤λ/(2V_E)，λ为剖面仪的工作中心频率对应的波长；

第二设置模块，用于根据速度计算模块获得的粗测值V_S设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第二时间间隔T₂，其中，T₂≤λ/(2V_S)，λ为剖面仪的工作中心频率对应的波长；

速度计算模块，用于根据第一设置模块中的第一时间间隔T₁或第二设置模块中的第二时间间隔T₂选择相关脉冲对发射编码，并根据剖面仪采集的回波信号采用相关脉冲对协方差法计算船速和流速的矢量和V的粗测值V_S或精测值V_P。

本发明优点在于：

1.本发明的声多普勒海流剖面仪测量流速的方法适用于航行中的载体。

2.本发明的自动选择子脉冲时间间距的方法，在宽广的范围内适应载体的船速和流速的变化，同时达到标定的作用距离和测深精度。

3.本发明的声多普勒海流剖面仪测量流速的方法，同样也适用锚系的载体，尤其是流速大的水域。

附图说明

图1是声多普勒海流剖面仪工作示意图；

图2是声多普勒海流剖面仪装置示意图；

图3是本发明的声多普勒海流剖面仪软件流程图。

图面说明

载体100  湿端200  换能器阵300  电子分机400  传感器500  干端600

波束101  海底102  流体103

具体实施方式

下面结合附图与具体方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，声多普勒海流剖面仪测量流体速度时，它装于载体(船)100上，声多普勒海流剖面仪总体上包括湿端200和干端600。所述的湿端包括换能器阵300、电子分机400和传感器500；所述的干端600包括终端计算机601和若干外设，它们装在水面上。声多普勒海流剖面仪通过换能器阵300向水下发射波束101，并接受流体103和/或海底102的反射信号，经电子分机400处理后得到流体103的速度。

声多普勒海流剖面仪的装置示意图如图2所示，它包括由换能器阵列组成的换能器阵300、电子分机400、传感器500和干端600。电子分机包括发射机401、接收机402、数据采集器403、高速数字信号处理器404、声纳控制器405、PC104计算机406以及PC104总线407。干端600包括终端计算机601、电罗经602、打印机603和显示器604，其中电罗经602为选配件。

电子分机400中发射机401、接收机402与换能器阵300连接，发射机401分别与声纳控制器405和高速数字信号处理器404连接，数据采集器403与接收机402连接，高速数字信号处理器404与数据采集器403连接，声纳控制器405与高速数字信号处理器404连接，PC104计算机406经由PC104总线407与数据采集器403、高速数字信号处理器404和声纳控制器405连接。传感器500包括温度传感器501和姿态传感器502，分别与声纳控制器405连接。

干端600中终端计算机601与电子分机400中的PC104计算机406连接，终端计算机601与电罗经602、打印机603和显示器604连接。

该系统的专用测速程序装载在计算机406的存储器中，在本发明中，该程序包括速度估计模块、第一设置模块、第二设置模块和速度计算模块，并按图3所示流程图中的步骤执行。

在图3中，701是开始步骤，由终端计算机601发出指令，传输到计算机406，启动计算机406存储器中的程序，使声纳处于工作状态。步骤702和703中，对软件和系统硬件进行初始化。

在步骤704中，根据海底的深度选择发射编码，这里的发射编码为相关脉冲对发射编码。

在根据步骤704的发射编码发射声信号之前，需要设置该相关脉冲对中两个子脉冲的时间间距T。已经知道，模糊速度V_a＝λ/2T，其中，λ为剖面仪工作的中心频率对应的波长。由V_a的表式可知，当λ固定，T要短些，以使V_a变大，则剖面仪适用的速度范围大些。但是T短了，子脉冲的脉冲元的个数L和信噪比S/N就小，作用距离变短，测速精度变差。特别是水深时，T要长，使L和S/N变大，保持足够的信噪比，以达到标定的作用距离和测速精度。所以在选择发射编码时，相关脉冲对中两个子脉冲的时间间距T的合理选取是十分重要的。这也是本发明的特征所在。

在步骤705中，速度估计模块预设一个船速和流速的矢量和V的估计值V_E，或者由该速度估计模块接收由操作人员输入的一个估计值V_E。该估计值V_E可以根据测量船和待测量流体区域的现场情况来确定，为了保证不发生相位模糊，该估计值V_E的取值要比实际船速和流速的矢量和V要大，这一点是本领域的一般技术人员很容易判断并作出估计的。例如，当V大约为2m/s的时候，可以将估计值V_E设为2.6m/s。

在步骤706中，第一设置模块根据估计值V_E设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第一时间间隔T₁，其中，T₁≤λ/(2V_E)。当T₁≤λ/(2V_E)时，可得到V_E≤λ/(2T₁)。在选定T₁后，根据模糊速度V_a1＝λ/2T₁可知V_E≤V_a1，又因为估计值V_E的取值要比实际船速和流速的矢量和V要大，这样就可以保证在速度测量时不会发生相位的模糊。但是，由于T₁的取值越小，测量精度越差。在实际操作中优选

0.7λ/(2V_E)≤T₁≤λ/(2V_E)，    (2)

这样既保证不出现相位模糊，又可以保证一定的测量精度。例如，在步骤(1)的例子中，将V_E设为2.6m/s后，在λ为0.5cm时，T₁应该满足T₁≤0.96ms，优选0.67ms≤T₁≤0.96ms。

在步骤707中，根据步骤704选择的发射编码和步骤706得到的第一时间间隔T₁，计算机406经PC104总线407使高速数字信号处理器404和声纳控制器405产生发射信号，然后驱动发射机401，再驱动换能器阵300，发出声脉冲对到流体介质中。在步骤708中，换能器阵300接收从流体介质和海底介质反向散射的回波信号，经接收机402馈送给数据采集器403采样，再馈送给高速数字信号处理器405。在步骤709中，对回波信号进行调解滤波，得到回波的基波信号。

在步骤710中，速度计算模块根据步骤709中获得的回波信号，采用常规的相关脉冲对协方差法计算速度，即根据回波信号求延时为T₁的相关函数R(T₁)，并由R(T₁)求得速度船速和流速的矢量和V_S。在这里，将计算得到的V_S称为粗测值V_S。在步骤705和706中，T₁是按照船速和流速的矢量和V的估计值V_E来选取的，由于V_E的设定值要比实际速度V大，使得T₁的取值要比其最佳的取值要小，从而使得测量精度不佳。因此，将该步骤中测得的V_S称为粗测值，但是该粗测值V_S要比估计值V_E更接近于实际的船速和流速矢量和V。

在步骤711中，第二设置模块根据粗测值V_S设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第二时间间隔T₂，其中，T₂≤λ/(2V_S)。在选定T₂后，根据模糊速度V_a2＝λ/2T₂可知V_S≤V_a2，这样，就可以保证在速度测量时不会发生相位的模糊。特别是，由于粗测值V_S已经基本上能够反映船速和该流域流速的情况，因此，在选择T₂时，则可以在不出现相位模糊的情况下将其尽量选择的比较大，从而提高测量精度。在实际操作中优选

0.9λ/(2V_S)≤T₂≤λ/(2V_S)，    (3)

例如，在步骤710测得的粗测值V_S为2.1m/s，λ为5cm时，T₂应该满足T₂≤1.19ms，优选1.07ms≤T₂≤1.19ms。

最后，返回步骤707，根据步骤711确定的两个子脉冲之间的第二时间间隔T₂重复进行步骤707～710，获得最后的船速和流速矢量和精测值V_P。再根据外输入的准确船速，求出准确的流速V_c。

最后还可以将温度传感器501和姿态传感器502的数据经声纳主控器405馈送给PC104计算机，再馈送给终端计算机601，融合电罗经602的数据，给出校正过的流速数据。

声多普勒海流剖面仪装在航行的载体上测量时，在标定的作用距离和测深精度下，采用本发明的方法可避免发生相位模糊。

此外，在一般情况下，载体的速度是大量而流速是小量，所以在本发明的方法中求出的第二时间间隔T₂主要决定于船速。另一方面，由于载体的航速(即船速)是一般是恒定的，因此T₂在相当长的时间内是稳定的。这样，在相当长的时间内可按照第二时间间隔T₂发射同一个信号，这为数据后处理提供了方便。

本发明的方法中采取的避免相位模糊的措施也适用于锚系的载体，尤其是在流速较大的水域。

Claims (4)

1、一种声多普勒海流剖面仪测量海流剖面流速的方法，声多普勒海流剖面仪装载于载体上，包括如下步骤：

(1)预估一船速和流速的矢量和V的估计值V_E，该估计值V_E大于真实的船速和流速的矢量和V；

(2)根据估计值V_E设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第一时间间隔T₁，其中，T₁≤λ/(2V_E)，λ为剖面仪的工作中心频率对应的波长；

(3)根据步骤(2)中的第一时间间隔T₁选择相关脉冲对发射编码，声多普勒海流剖面仪向待测的流体介质发射相关脉冲对信号，并根据回波信号采用相关脉冲对协方差法计算得到船速和流速的矢量和V的粗测值V_S；

(4)根据粗测值V_S设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第二时间间隔T₂，其中，T₂≤λ/(2V_S)；

(5)根据步骤(4)中的第二时间间隔T₂选择相关脉冲对发射编码，声多普勒海流剖面仪向待测的流体介质发射相关脉冲对信号，并根据回波信号采用相关脉冲对协方差法计算得到船速和流速的矢量和V的精测值V_P；

(6)在精测值V_P中扣除船速，获得流速。

2、根据权利要求1所述的声多普勒海流剖面仪测量海流剖面流速的方法，其特征在于，在步骤(2)中，0.7λ/(2V_E)≤T₁≤λ/(2V_E)。

3、根据权利要求1或2所述的声多普勒海流剖面仪测量海流剖面流速的方法，其特征在于，在步骤(4)中，0.9λ/(2V_S)≤T₂≤λ/(2V_S)。

4、一种实施权利要求1所述方法的声多普勒海流剖面仪，包括计算机(406)；其特征在于，该计算机(406)内包括：

速度估计模块，用于存储预设的或外部输入的船速和流速的矢量和的V估计值V_E；该估计值V_E的取值要比实际船速和流速的矢量和V要大；

第一设置模块，用于根据速度估计模块中的估计值V_E设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第一时间间隔T₁，其中，T₁≤λ/(2V_E)，λ为剖面仪的工作中心频率对应的波长；

第二设置模块，用于根据速度计算模块获得的粗测值V_S设置相关脉冲对中两个子脉冲之间的第二时间间隔T₂，其中，T₂≤λ/(2V_S)，λ为剖面仪的工作中心频率对应的波长；

速度计算模块，用于根据第一设置模块中的第一时间间隔T₁或第二设置模块中的第二时间间隔T₂选择相关脉冲对发射编码，并根据剖面仪采集的回波信号采用相关脉冲对协方差法计算船速和流速的矢量和V的粗测值V_S或精测值V_P。

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