CN102928619B - 一种宽带束控声学多普勒测流系统信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带束控声学多普勒测流系统信号处理方法。现有方法针对宽带形式的回波信号，会使得不同频率分量的信号发散到不同的角度。本发明首选构造水声换能器发射声波波束，对四路回波信号进行采样，形成四路数字信号；并进行波束合成，得到两路合成后的信号。其次利用波束合成信号进行水底跟踪判断，以确定底回波前沿数据序号。然后计算单次声脉冲测流获得的速度值。最后取排序后的中间速度值为最终测流速度。本发明可补偿水声换能器接收阵列各个回波波束的声程差，使得信号不同频率成分都指向了相同的方向，减少了合成波束的失真现象，结合复相关测频技术后能较大程度地提升宽带学多普勒测流系统速度估算的精准度。

Description

一种宽带束控声学多普勒测流系统信号处理方法

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

宽带声学多普勒测流系统利用水声换能器向水介质发射一个经伪随机序列进行相位编码调制后的定向声脉冲信号，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。

为测量三维空间的流速，水声换能器通常采用束控技术发射和接收多个不同方向且各自独立的波束。现今的声学多普勒测流系统普遍采用相移束控技术，该束控技术对于窄带信号效果十分理想，但当收发其它宽带形式的信号时，相移束控使得不同频率分量的信号发散到不同的角度，由此人为展宽了波束的宽度且产生了信号失真，造成了相控阵的孔径效应，对测流结果的精准度带来较大的偏差。

发明内容

       本发明的目的在于解决上述方法的缺点和不足，提出一种宽带束控声学多普勒测流系统信号处理方法，可补偿水声换能器接收阵列各个回波波束的声程差，使得信号不同频率成分都指向了相同的方向，减少了合成波束的失真现象，并结合复相关测频技术完成流速的估算。 

       设宽带声学多普勒测流系统中进行相位编码调制所用的伪随机序列周期为，单个码元周期为                                                

，相控换能器发射的声脉冲信号的波长为

，波束张角为

，声脉冲信号的载波频率为

，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）构造水声换能器发射声波波束。设单次声脉冲发射过程中，经过相位编码调制后的声脉冲波形为

，则按下式构造四路束控波束并发射出去：

       步骤（2）对相控换能器阵接收到的四路回波信号进行采样，形成四路数字信号。采样频率，采样后的信号为，其中

表示信号对应的路数，

表示采样点序号，表示采样后数字序列的长度。

       步骤（3）每路信号与本地频率为

的载波相乘，完成频谱搬移。

并将频谱搬移后的信号经过-3dB带宽为的数字低通滤波器，得到基带信号

。

其中，

为低通滤波器单位冲激响应函数。

       步骤（4）对四路基带信号按下式进行波束合成，得到两路合成后的信号：

       步骤（5）对合成后的两路信号分别做Hilbert变换，得到两路复信号

和。

其中表示

，

表示Hilbert运算。

       步骤（6）利用波束合成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：计算合成信号中实部序列

/中

点的实时平均功率，

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，合成信号中实部序列

和的实时平均功率：

       如果且，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（7）；否则重复步骤（6）。这里

为功率检测系数，取值范围为1~20。

       步骤（7）分别计算两路合成信号的复相关值：

       步骤（8）根据复相关结果计算相角：

      

，

，

，分别为两个复相关值的相角。

       步骤（9）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（10）重复步骤（1）~（9）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。

     本发明中信号处理方法补偿了水声换能器接收阵列各个回波波束的声程差，使得信号不同频率成分都指向了相同的方向，减少了合成波束的失真现象，结合复相关测频技术后能较大程度地提升宽带学多普勒测流系统速度估算的精准度。

具体实施方式

   本发明方法的具体步骤是：

步骤（1）构造水声换能器发射声波波束。设单次声脉冲发射过程中，经过相位编码调制后的声脉冲波形为

，则按下式构造四路束控波束并发射出去：

     步骤（2）对相控换能器阵接收到的四路回波信号进行采样，形成四路数字信号。采样频率

，采样后的信号为

，其中

表示信号对应的路数，

表示采样点序号，

表示采样后数字序列的长度。

     步骤（3）每路信号与本地频率为

的载波相乘，完成频谱搬移。

并将频谱搬移后的信号经过-3dB带宽为的数字低通滤波器，得到基带信号

。

其中，

为低通滤波器单位冲激响应函数。

     步骤（4）对四路基带信号按下式进行波束合成，得到两路合成后的信号：

     步骤（5）对合成后的两路信号分别做Hilbert变换，得到两路复信号

和

。

其中表示

，

表示Hilbert运算。

     步骤（6）利用波束合成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：计算合成信号中实部序列

/

中点的实时平均功率，

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，合成信号中实部序列

和

的实时平均功率：

     如果

且

，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（7）；否则重复步骤（6）。这里

为功率检测系数，取值范围为1~20。

     步骤（7）分别计算两路合成信号的复相关值：

     步骤（8）根据复相关结果计算相角：

  ，

，

，分别为两个复相关值的相角。

     步骤（9）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（10）重复步骤（1）~（9）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)

1.一种宽带束控声学多普勒测流系统信号处理方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

设宽带束控声学多普勒测流系统中进行相位编码调制所用的伪随机序列周期为T_m，单个码元周期为T_sym，相控换能器发射的声脉冲信号的波长为λ，波束张角为θ，声脉冲信号的载波频率为f_c，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）构造水声换能器发射声波波束；设单次声脉冲发射过程中，经过相位编码调制后的声脉冲波形为a(t)，则按下式构造四路束控波束并发射出去：

$s_1\left(t\right)=a\left(t\right)+a(t-\frac{3}{{4f}_c})$

$s_2\left(t\right)=a(t-\frac{1}{{4f}_c})+a(t-\frac{1}{{2f}_c})$

$s_3\left(t\right)=a(t-\frac{1}{{2f}_c})+a(t-\frac{1}{{4f}_c})$

$s_4\left(t\right)=a(t-\frac{3}{{4f}_c})+a\left(t\right)$

步骤（2）对相控换能器阵接收到的四路回波信号进行采样，形成四路数字信号；采样频率f_s=4f_c，采样后的信号为r_i(n)，其中i=1,2,3,4表示信号对应的路数，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（3）每路信号与本地频率为f_c的载波相乘，完成频谱搬移：

$x_i\left(n\right)=r_i\left(n\right)\×\cos (2\mathrm{\π}\×f_c\×\frac{n}{f_s})$

并将频谱搬移后的信号经过-3dB带宽为1/T_sym的数字低通滤波器，得到基带信号

${\hat{x}}_i\left(n\right)=x_i\left(n\right)*h_{\mathrm{LPF}}\left(n\right)$

其中，h_LPF(n)为低通滤波器单位冲激响应函数；

步骤（4）对四路基带信号按下式进行波束合成，得到两路合成后的信号：

$y_1\left(n\right)={\hat{x}}_1\left(n\right)+{\hat{x}}_2(n-1)+{\hat{x}}_3(n-2)+{\hat{x}}_4(n-3)$

$y_2\left(n\right)={\hat{x}}_1(n-3)+{\hat{x}}_2(n-2)+{\hat{x}}_3(n-1)+{\hat{x}}_4\left(n\right)$

步骤（5）对合成后的两路信号分别做Hilbert变换，得到两路复信号z₁(n)和z₂(n)；

z₁(n)=z_R1(n)+j×z_I1(n)=y₁(n)j×H(y₁(n))

z₂(n)=z_R2(n)+j×z_I2(n)=y₂(n)+j×H(y₂(n))

其中j表示

Η(·)表示Hilbert运算；

步骤（6）利用波束合成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：计算合成信号中实部序列z_R1(n)和z_R2(n)M点的实时平均功率，M取值范围是120～9600；

$P_{M1}\left(L\right)=\frac{1}{M}\×\underset{n=L-M+1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left(z_{R1}\left(n\right)\right)}^2,P_{M2}\left(L\right)=\frac{1}{M}\×\underset{n=L-M+1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left(z_{R2}\left(n\right)\right)}^2,L=M,M+1,M+2,...N$

计算从回波接收开始至当前时刻，合成信号中实部序列z_R1(n)和z_R2(n)的实时平均功率：

$P_1\left(L\right)=\frac{1}{L}\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left(z_{R1}\left(n\right)\right)}^2,P_2\left(L\right)=\frac{1}{L}\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left(z_{R2}\left(n\right)\right)}^2,L=M,M+1,M+2,...N$

如果P_M1(L)>α×P₁(L)且P_M2(L)>α×P₂(L)，则记录此时的L值作为底回波前沿数据序号，进入步骤（7）；否则重复步骤（6）；α为功率检测系数，取值范围为1～20；

步骤（7）分别计算两路合成信号的复相关值：

$R_1=\underset{n=L+f_s\×T_m}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[z_{R1}\left(n\right)+j\×z_{I1}\left(n\right)]\×[z_{R1}(n-f_s\×T_m)-j\×z_{I1}(n-f_s\×T_m)\left]\right\}$

$R_2=\underset{n=L+f_s\×T_m}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[z_{R2}\left(n\right)+j\×z_{I2}\left(n\right)]\×[z_{R2}(n-f_s\×T_m)-j\×z_{I2}(n-f_s\×T_m)\left]\right\}$

步骤（8）根据复相关结果计算相角：

${\mathrm{\φ}}_1={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\mathrm{Imag}\left(R_1\right)}{\mathrm{Real}\left(R_1\right)}\right],{\mathrm{\φ}}_2={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\mathrm{Imag}\left(R_2\right)}{\mathrm{Real}\left(R_2\right)}\right]$

φ₁,φ₂∈[-π,π]，分别为两个复相关值的相角；

步骤（9）根据相角计算出单次声脉冲测流获得的速度值：

$v_k=\frac{({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)\×\mathrm{\λ}}{8\mathrm{\π}\×T_m\×\sin \left(\mathrm{\θ}\right)},k=\mathrm{1,2},...,K$

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（10）重复步骤（1）～（9）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：

$\hat{v}=\mathrm{median}\left(\right\{G_k\left\}\right)$

这里median(·)表示取中间值处理。