CN105004880A - 一种采用高次谐波分量的adcp流速测速系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种ADCP流速测速系统，尤其涉及一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统，数字信号编码发送模块和大功率信号驱动模块相连，水声换能器和大功率信号驱动模块通过换能器阻抗匹配模块相连。换能器阻抗匹配模块和回波束接受信号放大模块相连，回波束接受信号放大模块和高通滤波器模块相连。高通滤波器模块和高次谐波采样模块通过模数转换模块相连，高通滤波器模块还和高次谐波采样模块直接相连。DSP数字信号处理模块和高次谐波采样模块相连。本发明通过提高ADCP发射系统的功率，使ADCP超声波速在传播过程中产生丰富的谐波分量，而后通过接收系统对接收到的各次谐波信号频率进行分析，可以达到减小探测单元尺寸、提高测量准确性的目的。

Description

一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统

技术领域

本发明涉及一种ADCP流速测速系统，尤其涉及一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统。

背景技术

ADCP，声学多普勒流速剖面仪是近十年才发展并得到广泛应用的流速测量仪器，它是在改进传统的河流测量方法的基础上发展起来的产品。基于声纳和雷达的基本原理及数字信号处理技术，测得的水流速有着传统测速仪都不能比拟的准确性。它能直接测出河流断面的流速剖面，测量时不扰动流场，测验消耗少，测速范围大，维修维护方便，其效率比传统的方法提高几十倍。它可应用在诸如河流、湖泊、河口等淡水环境中，也可以应用在海洋这样的垂直剖面分布中。ADCP是根据声学多普勒原理，用矢量合成法，测量流的垂直剖面分布，它所测得的每个水深单元的流速时该单元中心的平均流速。它对于合理地开发利用水资源，使之造福于人类，实现自然界、社会和人类的可持续发展有着极其重要的意义。

目前的ADCP设备的技术原理都是以单频方式工作方式，当发射1MHz声波时分析1MHz散射回波信号的多普勒频率偏移，测算出水介质的流速。为了增加探测距离，需要使用相对较低的发送工作频率，致相应地测量的准确性受到影响。因此单频工作无法兼顾测量距离和测量准确性之间的矛盾。为了解决上述问题，目前市场上使用双频工作的ADCP设备，但是该类设备实际上是使用了二套硬件系统，增加了设备的体积和重量也使设备的成本增加，此发明设计解决了以上两个问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统，该测量系统可实现高精度的流速测量。

为解决上述技术问题，本发明采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统，包括DSP数字信号处理模块、数字信号编码发送模块、高次谐波采样模块、高通滤波器模块、水声换能器、大功率信号驱动模块、换能器阻抗匹配模块、回波束接受信号放大模块和模数转换模块；

所述数字信号编码发送模块和所述大功率信号驱动模块相连，所述水声换能器和所述大功率信号驱动模块通过换能器阻抗匹配模块相连；所述换能器阻抗匹配模块和所述回波束接受信号放大模块相连，所述回波束接受信号放大模块和所述高通滤波器模块相连；所述高通滤波器模块和所述高次谐波采样模块通过所述模数转换模块相连；所述高通滤波器模块还和所述高次谐波采样模块直接相连；所述DSP数字信号处理模块和所述高次谐波采样模块相连；

所述数字信号编码发送模块用于发送一定频率的编码信号；

所述大功率信号驱动模块用于接收编码信号并输出相应编码的脉冲填充波信号，还用于调整所述水声换能器输入电压；

所述换能器阻抗匹配模块用于匹配所述大功率信号驱动模块的输出阻抗和所述水声换能器输入阻抗；

所述水声换能器用于接收脉冲填充波信号并输出一定相应频率的超声波束，所述超声波束可与水介质中的颗粒物质发生作用并产生多普勒频移散射信号；

所述回波束接受信号放大模块用于接收超声波束的散射信号并作放大处理；

所述高通滤波器模块用于过滤无效的散射信号；

所述模数转换模块用于将过滤后的散射信号转化为相应的数字信号；

所述高次谐波采样模块用于接受散射数字信号，所述高次谐波采样模块还用于输出过滤范围信号至高通滤波器模块；

所述DSP数字信号处理模块用于处理散射数字信号；

所述水声换能器的谐振频率和所述脉冲填充波信号的频率相同；

所述水声换能器的工作功率大于所述水声换能器的额定功率。

进一步地，所述水声换能器脉冲信号的重复周期为1-10Hz。

进一步地，所述水声换能器采用硬质泡沫材料作为衬托。

有益效果：

1.本发明利用水声换能器发射超声波在其传播过程中产生丰富的谐波分量，进而接受这些谐波分量的散射作为有效测量信号。2.大功率信号驱动模块实现对驱动功率可控制性，以提高超声波的辐射功率产生更多可控高次谐波，实现多频率的测量。3.高通滤波器模块，对接收到的散射信号进行处理，保留了高次谐波信号来进行信号分析。4.DSP数字信号处理模块对所接收到的散射信号的高次谐波进行分析，利用各次谐波信号不同频率的多普勒频率偏移，既能保证测量精度，有能兼顾测量距离范围。5.该结构的ADCP流速测量系统相对于市场上的双频和多频ADCP，制造成本更加低，体积更小。6.该流速测量系统使用硬质泡沫材料作为衬托的声学换能器模块，提高了换能器的电声转换效率，有利于高次谐波信号的产生。

本发明通过提高ADCP发射系统的功率，使ADCP超声波速在传播过程中产生丰富的谐波分量；而后通过接收系统对接收到的各次谐波信号频率进行分析，计算出待测水介质的流速分布。由于在相同测量位置上可以针对不同频率进行流速分析，提高了测量的可靠性；同时，通过使用高频谐波信号进行测量分析，可以达到减小探测单元尺寸、提高测量准确性的目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述；

图1为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例的结构框图；

图2为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例中声学换能器发出1MHz频率的8kPa时产生的回波频率信号图；

图3为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例中声学换能器发出1MHz频率的36kPa时产生的回波频率信号图；

图4为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例中声学换能器发出1MHz频率的70kPa时产生的回波频率信号图；

图5为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例中声学换能器发出1MHz频率的110kPa时产生的回波频率信号图；

附图标记说明

1-水声换能器；2-换能器阻抗匹配模块；3-回波束接受信号方法模块；4-高通滤波器模块；5-模数转换模块；6-高次谐波采样模块；7-DSP数字信号处理模块；8-大功率信号驱动模块；9-数字信号编码发送模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本申请使用的“模块”、“系统”等术语旨在包括与计算机相关的实体，例如但不限于硬件、固件、软硬件组合、软件或者执行中的软件。例如，模块可以是，但并不仅限于：处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行程序、执行的线程、程序和/或计算机。举例来说，计算设备上运行的应用程序和此计算设备都可以是模块。一个或多个模块可以位于执行中的一个进程和/或线程内，一个模块也可以位于一台计算机上和/或分布于两台或更多台计算机之间。

图1所示为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例的结构框图，包括DSP数字信号处理模块7、数字信号编码发送模块9、高次谐波采样模块6、高通滤波器模块4、水声换能器1、大功率信号驱动模块8、换能器阻抗匹配模块2、回波束接受信号放大模块3和模数转换模块5。数字信号编码发送模块9和大功率信号驱动模块8相连，水声换能器1和大功率信号驱动模块8通过换能器阻抗匹配模块2相连。换能器阻抗匹配模块2和回波束接受信号放大模块3相连，回波束接受信号放大模块3和高通滤波器模块4相连。高通滤波器模块4和高次谐波采样模块6通过模数转换模块5相连，高通滤波器模块4还和高次谐波采样模块6直接相连。DSP数字信号处理模块7和高次谐波采样模块6相连。

其中，数字信号编码发送模块9用于发送一定频率的编码信号；

大功率信号驱动模块8用于接收编码信号并输出相应编码的脉冲填充波信号，还用于调整水声换能器1输入电压；

换能器阻抗匹配模块2用于匹配大功率信号驱动模块的输出阻抗和水声换能器输入阻抗；

水声换能器1用于接收脉冲填充波信号并输出一定相应频率的超声波束，超声波束可与水介质中的颗粒物质发生作用并产生多普勒频移散射信号；水声换能器1脉冲信号的重复周期为1-10Hz，进一步地，水声换能器1采用硬质泡沫材料作为衬托；

回波束接受信号放大模块3用于接收超声波束的散射信号并作放大处理；

高通滤波器模块4用于过滤无效的散射信号；

模数转换模块5用于将过滤后的散射信号转化为相应的数字信号；

高次谐波采样模块6用于接受散射数字信号，高次谐波采样模块6还用于输出过滤范围信号至高通滤波器模块4；

DSP数字信号处理模块7用于处理散射数字信号；

水声换能器1的谐振频率和脉冲填充波信号的频率相同；

水声换能器1的工作功率大于水声换能器的额定功率。

通过大功率信号驱动模块8将大功率的脉冲填充波信号输入到水声换能器1，水声换能器1完成驱动电信号和声信号的转换，水声换能器1的谐振频率和脉冲填充波信号的频率相同，水声换能器1的工作功率在大功率信号驱动模块8的调整下超过换能器本身的额定功率。举例说明当水声换能器1驱动电功率为50W以上时，将会辐射出大于35W的声功率，该超声波在传播过程中，由于非线性效应，部分能量将会逐渐向高次谐波频率上转移，谐波信号将会逐渐产生。当水声换能器的谐振频率为1MHz时，将会形成等同于1MHz、2MHz、3MHz、4MHz等的脉冲填充波形，当该声波信号与水介质中的颗粒发生作用并形成散射时，相应地各谐波信号将会产生不同的多普勒频率偏移。利用DSP数字信号处理模块7对各次谐波信号频率的多普勒频率偏移量进行计算，将会获得相关的流速量值。对于相同的位置，通过对各次谐波频率的分析，可以获得多个流速计算值，通过对这些流速值的比较和分析，将可提高流速测量的可靠性；而通过对高频信号的多普勒频率偏移的分析，可以提高流速测量的准确性。值得说明的是，高通滤波器模块4会对散射回的各次谐波信号频率做出过滤，过滤掉一部分不具有参考意义的数据值，该类数据值可以是过大、过小或者数值不稳定，过滤后的谐波信号频率将具有解析的意义。

图2所示为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例中声学换能器发出1MHz频率的8kPa时产生的回波频率信号图，产生了1MHz回波频率信号。

图3所示为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例中声学换能器发出1MHz频率的36kPa时产生的回波频率信号图，产生了1-4MHz回波频率信号。

图4所示为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例中声学换能器发出1MHz频率的70kPa时产生的回波频率信号图，产生了1-8MHz回波频率信号。

图5所示为本发明一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统实施例中声学换能器发出1MHz频率的110kPa时产生的回波频率信号图，产生了10MHz以上回波频率信号。

可以看出，通过提高ADCP发射系统的功率，可使ADCP超声波速在传播过程中产生更加丰富的谐波分量，而后通过接收系统对接收到的各次谐波信号频率进行分析，可以达到减小探测单元尺寸、提高测量准确性的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统，其特征在于：包括DSP数字信号处理模块(7)、数字信号编码发送模块(9)、高次谐波采样模块(6)、高通滤波器模块(4)、水声换能器(1)、大功率信号驱动模块(8)、换能器阻抗匹配模块(2)、回波束接受信号放大模块(3)和模数转换模块(5)；

所述数字信号编码发送模块(9)和所述大功率信号驱动模块(8)相连，所述水声换能器(1)和所述大功率信号驱动模块(8)通过换能器阻抗匹配模块(2)相连；所述换能器阻抗匹配模块(2)和所述回波束接受信号放大模块(3)相连，所述回波束接受信号放大模块(3)和所述高通滤波器模块(4)相连；所述高通滤波器模块(4)和所述高次谐波采样模块(6)通过所述模数转换模块(5)相连；所述高通滤波器模块(4)还和所述高次谐波采样模块(6)直接相连；所述DSP数字信号处理模块(7)和所述高次谐波采样模块(6)相连；

所述数字信号编码发送模块(9)用于发送一定频率的编码信号；

所述大功率信号驱动模块(8)用于接收编码信号并输出相应编码的脉冲填充波信号，还用于调整所述水声换能器(1)输入电压；

所述换能器阻抗匹配模块(2)用于匹配所述大功率信号驱动模块(8)的输出阻抗和所述水声换能器(1)输入阻抗；

所述水声换能器(1)用于接收脉冲填充波信号并输出一定相应频率的超声波束，所述超声波束可与水介质中的颗粒物质发生作用并产生多普勒频移散射信号；

所述回波束接受信号放大模块(3)用于接收超声波束的散射信号并作放大处理；

所述高通滤波器模块(4)用于过滤无效的散射信号；

所述模数转换模块(5)用于将过滤后的散射信号转化为相应的数字信号；

所述高次谐波采样模块(6)用于接受散射数字信号，所述高次谐波采样模块(6)还用于输出过滤范围信号至高通滤波器模块(4)；

所述DSP数字信号处理模块(7)用于处理散射数字信号；

所述水声换能器(1)的谐振频率和所述脉冲填充波信号的频率相同；

所述水声换能器(1)的工作功率大于所述水声换能器(1)的额定功率。

2.根据权利要求1所述的一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统，其特征在于：所述水声换能器(1)脉冲信号的重复周期为1-10Hz。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用高次谐波分量的ADCP流速测速系统，其特征在于：所述水声换能器(1)采用硬质泡沫材料作为衬托。