CN102901839B

CN102901839B - 一种低复杂度的声学多普勒测流系统速度估算方法

Info

Publication number: CN102901839B
Application number: CN201210434410.8A
Authority: CN
Inventors: 易志强; 李芸; 戴绍港; 赵知劲; 张福洪
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou To Mdt Infotech Ltd
Priority date: 2012-11-05
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2032-11-05
Also published as: CN102901839A

Abstract

本发明涉及一种低复杂度的声学多普勒测流系统速度估算方法。现有的基于复自相关方法的流速估算效果虽然较为理想，但该方法处理流程运算量较大，实现较为复杂，硬件资源消耗较多。本发明提出一种基于延迟共轭乘积技术的低复杂度声学多普勒测流系统速度估算方法，在保证测量性能的前提下较大程度地减少了信号处理的运算量，降低了系统的复杂度并节省了硬件资源的开销。

Description

一种低复杂度的声学多普勒测流系统速度估算方法

技术领域

本发明属声学多普勒测流信号处理技术领域，具体涉及一种宽带束控声学多普勒测速系统的信号处理方法，用于声学多普勒水流剖面仪和计程仪等设备估算水层或相对于水底运动速度信息。

背景技术

声学多普勒测流系统利用水声换能器向水介质发射一个定向的声脉冲信号，然后接收从海水中的散射体上反射的回波信号，利用声传播路径的时间差异转换成不同的深度单元，测量各层回波信号的频率信息，分析多普勒频移变化，换算得到相对运动速度。

目前，声学多普勒测流系统对于流层速度的估算主要是基于复自相关算法，其速度估算流程一般如下：对水声换能器接收到的回波进行采样后通过频谱搬移及低通滤波器，完成基带解调，然后对解调后的基带信号进行进行希尔伯特变换以获取复信号，再采用复相关技术计算出回波信号中的多普勒频偏，最后根据多普勒频移值计算出所需测量的相对运算速度。尽管基于复自相关方法的流速估算效果较为理想，但该方法处理流程运算量较大，实现较为复杂，硬件资源消耗较多。

发明内容

本发明的目的在于解决上述方法的缺点和不足，提出一种基于延迟共轭乘积技术的低复杂度声学多普勒测流系统速度估算方法，在保证测量性能的前提下较大程度地减少了信号处理的运算量，降低了系统的复杂度并节省了硬件资源的开销。

设声学多普勒测流系统中换能器发射的声脉冲信号的波束张角为，波长为，声脉冲信号的载波频率为，系统处理的最大多普勒频移绝对值为，一次完整的测流过程中水声换能器共发射K次声脉冲信号，K为奇数。所述的处理方法处理步骤如下：

步骤（1）对换能器阵接收到的回波信号进行采样，形成数字信号。采样频率，采样后的信号为，其中表示采样点序号，表示采样后数字序列的长度。

步骤（2）对每路信号与本地频率为的同相/正交载波相乘，完成正交频谱搬移。

并将频谱搬移后的信号经过-3dB带宽为的低通滤波器，得到同相基带信号和正交基带信号。

步骤（3）利用基带信号进行水底跟踪判断，以确定底回波前沿数据序号。判定方法为：计算点信号的实时平均功率，取值由水底大致深度决定，范围是120~9600。

计算从回波接收开始至当前时刻，基带信号中的实时平均功率：

如果，则记录此时的值作为底回波前沿数据序号，水底跟踪成功，进入步骤（4）；否则重复步骤（3）。这里为功率检测系数，取值范围为1~20。

步骤（4）计算第一中间变量和第二中间变量：

步骤（5）计算相角：

，

步骤（6）根据相角计算出单次声脉冲测流获得的速度值：

数值的正负代表所测速度的方向与参考方向一致或相反。

步骤（7）重复步骤（1）~（6）完成K次发射声脉冲的测流过程，并对得到的K个单次测流速度值按数值大小进行单调递增排序后得到序列，最终测流速度值为：

这里表示取中间值处理。

本发明针对声学多普勒测流系统，对正交解调后的基带数据采用延迟共轭乘积技术进行流层速度的估算，在保证测量性能的前提下较大程度地减少了信号处理的运算量，降低了系统的复杂度并节省了硬件资源的开销。

具体实施方式

本发明方法具体步骤如下：

步骤（4）计算第一中间变量和第二中间变量：

步骤（5）计算相角：

，

步骤（6）根据相角计算出单次声脉冲测流获得的速度值：

数值的正负代表所测速度的方向与参考方向一致或相反。

步骤（7）重复步骤（1）~（6）完成K次发射声脉冲的测流过程，并对得到的K个单次测流速度值按数值大小进行单调递增排序后得到序列，最终测流速度值为

这里表示取中间值处理。

Claims

1.一种低复杂度的声学多普勒测流系统速度估算方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

设声学多普勒测流系统中换能器发射的声脉冲信号的波束张角为θ，波长为λ，声脉冲信号的载波频率为f_c，系统处理的最大多普勒频移绝对值为Δf_max，一次完整的测流过程中水声换能器共发射K次声脉冲信号，K为奇数：

步骤（1）对换能器阵接收到的回波信号进行采样，形成数字信号；采样频率f_s，采样后的信号为r(n)，其中n=1,2,3,...,N表示采样点序号，N表示采样后数字序列的长度；

步骤（2）对每路信号与本地频率为f_c的同相载波和本地频率为f_c的正交载波相乘，完成正交频谱搬移：

x_{I} (n) = r (n) \times \cos (2 π \times f_{c} \times \frac{n}{f_{s}})

x_{Q} (n) = r (n) \times \sin (2 π \times f_{c} \times \frac{n}{f_{s}})

并将频谱搬移后的信号经过-3dB带宽为10×Δf_max的低通滤波器，得到同相基带信号(n)和正交基带信号(n)；

{\hat{x}}_{I} (n) = x_{I} (n) * h_{LPF} (n)

{\hat{x}}_{Q} (n) = x_{Q} (n) * h_{LPF} (n)

步骤（3）利用基带信号进行水底跟踪判断，以确定底回波前沿数据序号；判定方法为：计算M点(n)信号的实时平均功率，M取值范围是120～9600：

P_{M} (L) = \frac{1}{M} \times Σ_{n = L - M + 1}^{L} {({\hat{x}}_{1} (n))}^{2}, L = M, M + 1, M + 2, . . . N

计算从底回波接收开始至当前时刻，基带信号中(n)的实时平均功率：

P (L) = \frac{1}{L} Σ_{n = 1}^{L} {({\hat{x}}_{I} (n))}^{2}, L = M, M + 1, M + 2, . . . N

如果P_M(L)>α×P(L)，则记录此时的L值作为底回波前沿数据序号，水底跟踪成功，进入步骤（4）；否则重复步骤（3）；α为功率检测系数，取值范围为1～20；

步骤（4）计算第一中间变量u1(m)和第二中间变量u2(m)：

\{\begin{matrix} u_{1} (m) = {\hat{x}}_{I} (m) \times \hat{x}_{I} (m - 1) + {\hat{x}}_{Q} (m) \times {\hat{x}}_{Q} (m - 1) \\ u_{2} (m) = {\hat{x}}_{I} (m) \times {\hat{x}}_{Q} (m - 1) - {\hat{x}}_{Q} (m) \times {\hat{x}}_{I} (m - 1) \end{matrix} m = L, L + 1, . . . N

步骤（5）计算相角：

φ (m) = {tg}^{- 1} (\frac{u_{2} (m)}{u_{1} (m)}) m = L, L + 1, . . . N, φ (m) &Element; [- π, π]

步骤（6）根据相角计算出单次声脉冲测流获得的速度值：

v_{k} = \frac{φ (m) \times λ \times f_{s}}{4 π \times \sin (θ)} m = L, L + 1, . . . N

v_k数值的正负代表所测速度的方向与参考方向一致或相反；

步骤（7）重复步骤（1）～（6）完成K次发射声脉冲的测流过程，并对得到的K个单次测流速度值v_k按数值大小进行单调递增排序后得到序列{G_k}，最终测流速度值为

\hat{v} = median ({G_{k}})

这里median(·)表示取中间值处理。