CN104502627B - Adcp中基于发射信号设计与处理的相位模糊解决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ADCP中基于发射信号设计与处理的相位模糊解决方法，其特征在于：基于不同的发射信号延时，主要解决多普勒相干测流方式中存在的相位模糊问题，利用相干测流方式进行流速测量时，改变脉冲之间的延时，即令脉冲1和脉冲2之间的延时τ₁与脉冲2和脉冲3之间的延时τ₂不同，若两次测得的多普勒频移相差较远，则存在相位模糊，此时通过频率搜索进行多普勒频移修正，进而获得准确的径向流速。本发明解决了相位模糊问题，从而提高相干测流方式和宽带测流方式的最大可测流速。

Description

ADCP中基于发射信号设计与处理的相位模糊解决方法

技术领域

本发明涉及一种用于声学多普勒流速剖面仪(ADCP)相干测流方式的相位模糊解决方法，属于水声信号测量技术领域。

背景技术

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)是一种根据水声多普勒原理工作的测速声纳，主要用来遥测较大范围内的海流速度。试验证明海水中存在大量的散射体，诸如微小粒子、浮游生物及气泡等，它们随海水流动。这些散射体和海水是融为一体的，它们的速度即代表了海流的速度。在这个前提之下，作为一种主动声呐的ADCP向海水中发射声波，经过上述散射体对声波进行散射，ADCP再对回波信号进行接收和处理。根据多普勒原理，由于ADCP和散射体之间存在相对运动，发射声波与散射回波频率之间就存在一个多普勒频率。通过测量这个多普勒频率就可以直接解算出ADCP和散射体的相对速度。如果将海流分为若干层，通过测量就可以得到海流各层相对ADCP的流速剖面。

回波信号处理算法是ADCP测流研究的一个重要方面。针对不同发射信号形式的回波采样数据，也会有不同的测流信号处理算法。窄带ADCP(Kuroda,Y.Development of ashipboard acoustic Doppler current profiler,OCEANS'88.A Partnership of MarineInterests.Proceedings)一般发射单频宽脉冲信号，在进行流速测量时利用了脉冲之间非相干的测流方式，其主要信号处理算法是复自相关算法。随后，为了提高空间分辨率而不损失测量精度，有人利用了脉冲之间相干测流方式，通过测验两个或多个相干脉冲的回波之间的相位差来测量流速。这一方式较非相干方式提高了空间分辨率，但该方式在流速较大时存在相位模糊现象需要解决，脉冲相干测流方式的信号处理算法也是复自相关算法。由复自相关算法进行多普勒频率估计时，多普勒频率其中，τ为信号时延，φ(τ)为回波信号复自相关的相位，当f_d足够大使得φ(τ)超出(-π,π]的范围时，就会产生相位模糊现象。同样，在后来提出的宽带编码多普勒测流技术也存在着相位模糊现象需要解决。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种用于声学多普勒流速剖面仪(ADCP)相干测流方式的相位模糊解决方法，该方法可有效解决相干方式及宽带方式存在的相位模糊现象。

技术方案：一种ADCP中基于发射信号设计与处理的相位模糊解决方法(以相干方式为例)，基于不同的发射信号延时，主要解决多普勒相干测流方式中存在的相位模糊问题，利用相干测流方式进行流速测量时，改变脉冲之间的延时，即令脉冲1和脉冲2之间的延时τ₁与脉冲2和脉冲3之间的延时τ₂不同，若两次测得的多普勒频移相差较远，则存在相位模糊，此时通过频率搜索进行多普勒频移修正，进而获得准确的径向流速；主要包括以下步骤：

(1)采用脉冲相干测流方式，一次测量周期包含3个脉冲，且脉冲1和脉冲2之间的延时为τ₁＝n₁T，由最大可测深度H决定：式中c为1500m/s，θ为换能器波束方向与垂直方向的夹角，T为脉冲宽度，n₁为整数；脉冲2和脉冲3之间的延时为τ₂＝n₂T>τ₁，n₂为整数。

(2)由最大可测多普勒频率f_max计算得到：

(3)由脉冲1与脉冲2产生的回波计算多普勒频率为f_d1，由脉冲2与脉冲3产生的回波计算多普勒频率为f_d2。搜索m₁和m₂找到的最小值，从而获得准确的多普勒频移这样即可消除相位模糊问题，其中m₁∈[0,n₁]、m₂∈[0,n₂]，且m₁、m₂为整数。

(4)由多普勒频移f_d并应用计算径向流速v，其中，λ为发射脉冲波长，f为发射脉冲频率。

有益效果：本发明在利用相干测流方式和宽带测流方式进行流速测量时，通过改变脉冲之间的延时，获得2次存在相位模糊的多普勒频移，利用频率搜索方法得到真正的多普勒频移，解决相位模糊问题，从而提高相干测流方式和宽带测流方式的最大可测流速。

附图说明

图1为非周期信号作为ADCP的发射信号以解决相位模糊问题的原理图；

图2为本发明实例的具体实现过程。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一次测量周期为3个脉冲，发射信号脉宽为T，脉冲1与脉冲2之间的延时为n₁T，脉冲2与脉冲3之间的延时为n₂T，利用复自相关算法分别对脉冲1与脉冲2的回波信号和脉冲2与脉冲3的回波信号进行处理，得到2个多普勒频率f_d1和f_d2，再搜索m₁和m₂使得此时f_d即为正确的多普勒频率。最后由多普勒频移f_d计算径向流速v，应用以下公式其中λ为发射脉冲波长，f为发射脉冲频率。

图2是基于发射信号设计与处理的解相位模糊的具体实现过程。

表1 不同径向流速下的测量结果

表1是依据图2的一个具体实施例。表1中f_max为最大可测多普勒频率，v_max为最大可测多普勒频率所对应的最大可测流速，f_d为需要测量的标准多普勒频率，v为f_d对应的径向流速。具体测量条件如下：

A)水流深度为6.5m，水流层厚为0.065m，信噪比为30dB，声速为1500m/s，估计性能是经过100次平均得到的统计结果；

B)发射载频为600kHz，接收回波信号的采样频率为1.5MHz，波束入射角为30°；

C)发射信号为单载频矩形CW脉冲信号，信号长度为与0.065m的水流层厚相对应，具体应为0.1ms，信号延时由水流深度决定，脉冲1与脉冲2之间的延时τ₁为100T，脉冲2与脉冲3之间的延时τ₂由τ₁和f_max决定。

若不使用解模糊技术，则最大可测多普勒频率仅为50Hz。在表1中，最大可测多普勒频率有明显改善，实施例中取到5kHz、10kHz、24kHz。因此该发明能有效解决脉冲相干测流方式的相位模糊问题，进而获得正确的径向流速信息。

Claims (1)

1.一种ADCP中基于发射信号设计与处理的相位模糊解决方法，其特征在于：基于不同的发射信号延时，解决多普勒相干测流方式中存在的相位模糊问题，利用相干测流方式进行流速测量时，改变脉冲之间的延时，具体为令脉冲1和脉冲2之间的延时τ₁与脉冲2和脉冲3之间的延时τ₂不同，若两次测得的多普勒频移相差较远，则存在相位模糊，此时通过频率搜索进行多普勒频移修正，进而获得准确的径向流速；

(1)采用脉冲相干测流方式，一次测量周期包含3个脉冲，且脉冲1和脉冲2之间的延时为τ₁＝n₁T，由最大可测深度H决定：式中c为1500m/s，θ为换能器波束方向与垂直方向的夹角，T为脉冲宽度，n₁为整数；脉冲2和脉冲3之间的延时为τ₂＝n₂T>τ₁，n₂为整数；

(2)由最大可测多普勒频率f_max计算得到：

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(3)由脉冲1与脉冲2产生的回波计算多普勒频率为f_d1，由脉冲2与脉冲3产生的回波计算多普勒频率为f_d2；搜索m₁和m₂找到的最小值，从而获得准确的多普勒频移这样即可消除相位模糊问题，其中m₁∈[0,n₁]、m₂∈[0,n₂]，且m₁、m₂为整数；

(4)由多普勒频移f_d并应用计算径向流速v，其中，λ为发射脉冲波长，f为发射脉冲频率。