CN105842477A - 一种利用声学多普勒海流计测流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种利用声学多普勒海流计测流的方法，其步骤为海流计根据换能器获取的四路波束回波信号结合仪海流计设置参数信息、姿态、温度、压力及计算声速信息计算波束底深度、波束底速度，合成三维矢量速度后进行坐标转换，测流数据平滑滤波，最后输出测流结果。本发明利用声学多普勒频移原理测量海流流速，通过将声学多普勒海流计布放于潜标系统中对海洋动力环境参数、海流数据进行长时间观测，获得布放海域温度、压力、流速、流向等海洋环境参数，所使用的声学多普勒海流计具有直读和自容两种工作模式，并具有测流精度高、操作灵活的特点。

Description

一种利用声学多普勒海流计测流的方法

技术领域

本发明涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种利用声学多普勒海流计测流的方法。

背景技术

海流是研究海洋动力环境重要的参数数据，对海洋资源开发、环境信息安全保障、科学研究具有重要作用。现有基于声学测流的仪器分为声学海流计和多普勒剖面仪。声学海流计根据测量原理不同分为时差式声学海流计、聚焦式声学海流计、多普勒式声学海流计，利用声学多普勒海流计测流的方法具有不破坏流场、测瞬时流速、测量精度高、能测量低速海流的优点。海流计只能对海洋中的某一点位置的海流进行长期连续观察，声学多普勒海流剖面仪采用斜正交布阵(JANUS)结构，用声波对仪器下方几百米范围内的海流剖面进行遥测，从而为实现海流剖面长期连续测量和船载走航测量提供了一种有效途径。

现有的利用声学多普勒海流计测流的方法一般只具备直读或自容一种工作模式，且工作方式不够灵活。综上所述，在海洋观测技术领域亟需提供一种所使用的声学多普勒海流计具有直读和自容两种工作模式、测流精度高、操作灵活的利用声学多普勒海流计测流的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，提供一种所使用的声学多普勒海流计具有直读和自容两种工作模式、测流精度高、操作灵活的利用声学多普勒海流计测流的方法。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种利用声学多普勒海流计测流的方法，所述声学多普勒海流计包括换能器、系统控制模块、测量处理模块、压力传感器、姿态传感器、温度传感器、电源转换模块、碱性电池组及壳体，所述测流方法具体步骤为：

1)所述声学多普勒海流计根据换能器获取的四路波束回波信号，结合海流计的系统参数、姿态、温度、压力信息及声速信息计算波束底深度、波束底速度；

2)将上述数据合成三维矢量速度，进行坐标转换；

3)将得到的测流数据平滑滤波；

4)测流结果输出；

进一步地，所述测量处理模块包括信号发射机模块、信号接收机模块、信号处理模块，完成发射信号的生成、发射及反射信号的接收处理、信号处理、计算海流流速的任务；

进一步地，所述信号发射机模块将信号处理模块产生的具有一定重复周期、脉冲宽度和频率的电信号通过功率放大部分进行功率放大并将电信号加到换能器上，所述换能器转换成相应的声波信号发射出去；所述功率放大部分采用D类功率放大电路实现，在所述信号处理模块的控制下生成功率放大的驱动信号；

进一步地，所述信号接收机模块接收由换能器输入的回波信号，经过隔离变压器匹配、前级放大器、带通滤波、时变增益TVG放大、后置滤波器、后置放大器后输出到信号处理模块；所述信号处理模块为OMAP部件，可完成测流控制和信号处理算法、接收系统控制模块汇总输入的各传感器信号、对各传感器的数据进行解算和融合，解算出海流流速、流向参数；

进一步地，步骤3)中所述测流数据为海水介质与海流计的相对运动速度，其具体测算方式为：τ为发射与回波脉冲时间间隔变化，姿态传感器的布置需与海流计坐标系结合布置，姿态传感器为西北天坐标系，其北向与海流计的X轴指向重合，所述换能器个数为4个，所述4个换能器向四个方向发射一对宽带脉冲信号，该对脉冲信号的时间间隔为t₀，南、北、东、西四方向波束上的回波脉冲对的时间间隔为t₁、t₂、t₃、t₄，则海流速度在南北方向上的分量μ_北为：在东西上的分量μ_东为：最后对东西方向的速度矢量合成，解算出流速及流向参数；

进一步地，对所述回波脉冲对的时间间隔为t₁、t₂、t₃、t₄采用互谱精确时延测量方法精确测定脉冲间的时间间隔，所述互谱精确时延测量方法为：设某一海水介质对第一个宽带脉冲信号回波为：x₁(t)＝S(t)，第二个宽带脉冲信号：x₂(t)＝S(t+τ)，对这两个信号进行傅里叶变换，即：

$x_1\left(f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{x}_1\left(t\right)e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt;$

$x_2\left(f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{x}_2\left(t\right)e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s(t+\mathrm{\τ})e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt=x_1\left(f\right)e^{j2\mathrm{\π}ft};$

互谱Y(f)为：时延τ的信息包含在互谱Y(f)的相位角中，由于存在噪声干扰，与宽带信号频率f₁对应的τ₁存在测量误差，采用最小二乘法或平均加权法对τ进行估计：

或

进一步地，采用经验公式对水流声速进行校准：

c＝1450+4.21T-0.037T²+1.14(S-35)+0.175P，

其中，T为温度、S为盐度、P为压强；

进一步地，所述步骤3)采用多次测量结果进行平滑处理进一步提高测流精度，对宽带信号测流单次测流方差估计：其中，V_a为模糊速度，λ为波长，T为信号长度，为信噪比，L为字码数，对多次测流结果平滑处理后，海流计可达到设计测流精度。

本发明所使用的声学多普勒海流计安装有温度、压力、姿态传感器，布放在潜标系统中对海流数据进行长时间观测，获得布放海域温度、压力、流速、流向等多种海洋环境参数，具有通讯接口和大容量SD存储卡，实现直读和自容两种工作模式，通过参数设置可以测量某点位置或某剖面各层的海流数据，并且通过上位机可以根据不同用户的需要对测量周期、测量间隔、单日测量时间点分布等参数灵活设置，提出了能够实现流速精确测量的算法。

附图说明

图1为本发明剖面结构示意图；

图2为本发明整体结构示意图；

图3为换能器与海流计坐标系示意图；

图4为海流计软件工作流程图。

附图标记说明：1-换能器，2-上端盖，3-筒体，4-信号接收机模块，5-金属屏蔽板，6-电源转换模块及信号发射机模块，7-信号处理模块，8-系统控制模块及姿态传感器，9-碱性电池组，10-通信水密堵头，11-下端盖，12-压力传感器，13-电路板支架，14-换能器发声窗,15-温度传感器。

具体实施方式

实施例1：

一种声学多普勒海流计，其包括换能器1、系统控制模块8、测量处理模块、压力传感器12、姿态传感器8、温度传感器15、电源转换模块6、碱性电池组9及壳体组成；所述壳体包括上端盖2、筒体3、下端盖11、电路板支架13，所述上端盖与筒体、下端盖与筒体均同时采用轴向密封方式与纵向密封方式，同时采用两种密封方式，具有更好的密封性能；所述上端盖2、筒体3、下端盖11均采用316不锈钢材料制作，电路板支架13采用金属铝材料制作，可减轻海流计重量；另设有金属屏蔽板5。

上端盖内部嵌有4个换能器，表面有换能器的发声窗14，内部表面有与电路板支架13固定的4个螺丝孔，通过12个M5螺丝与筒体3固定。下端盖11表面有通信水密堵头安装孔10、压力传感器12的安装孔位，内部表面有与电池组9固定的4个螺丝孔。通过12个M5螺丝与筒体3固定。安装的通信水密堵头10采用8芯结构，其中4芯为通信接口，可实现远距离实时通信，使海流计具有直读功能，其中两芯为上电接口，剩下两芯留扩展用。筒体为简单筒体，除与上下端盖固定螺孔外无其他结构。所述电路板支架13与上端盖固定。

所述换能器以偏铌酸铅压电陶瓷为元件，采用单片圆形纵向振动模态技术，换能器的谐振频率为1MHz，4个换能器的辐射面法线构成直角坐标的坐标轴，每个换能器的辐射面直径为2.8cm，其自然指向性为约为3.2°，以满足精度流速测高量的需求；电池组由28节E95碱性电池组成，采用2并14串结构，与下端盖固定，为海流计模块提供21V电源。

所述温度传感器为数字传感器，安装在筒体上获取温度值；所述压力传感器安装在下端盖的圆形槽中，其压膜与水接触，由系统控制模块提供电源并采用RS485方式与系统控制模块通信，获取当前压力值传输给系统控制模块；所述姿态传感器8安装在系统控制模块8上，并由系统控制模块8控制供电，采用RS232方式通信，姿态传感器的布置需与海流计坐标系结合布置，具体为姿态传感器为西北天坐标系，其北向与海流计的X轴指向重合，姿态传感器与海流计控制中心的通信采用RS232串口方式通信；

所述系统控制模块由CPU控制核心、电源控制模块、通信模块、数据存储模块组成，完成上位机与测量处理单元的命令数据的交互，系统工作参数设定、数据存储、电源控制及压力、姿态数据处理的任务；所述CPU控制核心采用STM32处理器并设置有SD卡，可存储海流计测量温度、压力、流速、流向数据，能实现自容模式，可完成上位机与测量处理单元的命令数据的交互、系统工作参数设定、数据存储、电源控制及压力、姿态数据处理的任务；所述测量处理模块包括信号发射机模块6、信号接收机模块5、信号处理模块7，完成发射信号的生成、发射及反射信号的接收处理、信号处理、计算海流流速的任务；所述电源转换模块分别为信号发射机模块、信号接收机模块、信号处理模块提供电源，输入电压为18-36V，给信号处理模块的输出电压为+5V、给信号接收机模块的输出电压为±5V、给信号发射机模块的输出电压为+12V；所述信号发射机模块将信号处理模块产生的具有一定重复周期、脉冲宽度和频率的电信号通过功率放大部分进行功率放大并将电信号加到换能器上，所述换能器转换成相应的声波信号发射出去；所述功率放大部分采用D类功率放大电路实现，在所述信号处理模块的控制下生成功率放大的换能器所需的驱动信号；FPGA部分运行状态由信号处理模块7的四根控制线控制，一根触发线(TRIG)、一根时钟线(CLK)、I2C总线与FPGA核心板相连，四根控制线控制信号形式，触发线控制开始时间，时钟线为提供FPGA生成发射机驱动信号的基准时钟。

信号接收机模块接收由换能器输入的回波信号，经过隔离变压器匹配、前级放大器、带通滤波、时变增益TVG放大、后置滤波器、后置放大器后输出到信号处理模块；所述信号处理模块为OMAP(具有1个AMR9内核与1个DSP核)部件，可完成测流控制和信号处理算法、接收系统控制模块汇总输入的各传感器信号、对各传感器的数据进行解算和融合，解算出海流流速、流向参数。

实施例2：

一种利用声学多普勒海流计测流的方法，利用声学多普勒频移原理测量海流流速，具体的，通过测量发射带脉冲信号与回波脉冲间隔变化来获取海水介质与海流计的相对运动速度。所述测流数据为海水介质与海流计的相对运动速度，其具体测算方式为：τ为发射与回波脉冲时间间隔变化，姿态传感器的布置需与海流计坐标系结合布置，姿态传感器为西北天坐标系，其北向与海流计的X轴指向重合，所述换能器个数为4个，所述4个换能器向四个方向发射一对宽带脉冲信号，该对脉冲信号的时间间隔为t₀，南、北、东、西四方向波束上的回波脉冲对的时间间隔为t₁、t₂、t₃、t₄，则海流速度在南北方向上的分量μ_北为：在东西上的分量μ_东为：最后对东西方向的速度矢量合成，解算出流速及流向参数；

宽带信号海流测量的关键在于对信号回波脉冲信号间隔为t₁、t₂、t₃、t₄的精确测量，采用“互谱精确时延测量方法”精确测定脉冲间的时间间隔。方法为：设某一海水介质对第一个宽带脉冲信号回波为：x₁(t)＝S(t)，第二个宽带脉冲信号：x₂(t)＝S(t+τ)，对这两个信号进行傅里叶变换，即：

$x_1\left(f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{x}_1\left(t\right)e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt;$

$x_2\left(f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{x}_2\left(t\right)e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s(t+\mathrm{\τ})e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt=x_1\left(f\right)e^{j2\mathrm{\π}ft};$

互谱Y(f)为：时延τ的信息包含在互谱Y(f)的相位角中，由于相位角是周期函数，用于估计时延τ的信号频率受到限制：另外，由于函数是以π为周期的，通过判断Y(f)的实部或虚部的正负决定的值是[-π,0]或者[0,π]。对宽带信号的一组频率f₁对应有一组τ₁的测量值，在理想情况下，所有的τ₁都应当等于真实时延τ，但由于存在噪声干扰，τ₁存在一定的测量误差，因此我们采用最小二乘法或平均加权法对τ进行估计：

或

水流声速也是影响测流经度的因素，本发明采用声速校准的经验公式计算：

c＝1450+4.21T-0.037T²+1.14(S-35)+0.175P，

其中，T为温度、S为盐度、P为压强；

为了提高测流精度，采用多次测量结果进行平滑处理进一步提高测流精度，对宽带信号测流单次测流方差估计：：其中，V_a为模糊速度，λ为波长，T为信号长度，为信噪比，L为字码数，经过测对多次测量结果进行平滑处理后可达到设计测流经度。

实施例3：

海流计工作流程：

系统上电后，首先进行设备自检，采集的压力、姿态、温度数据以4Hz频率更新，1分钟后输出自检结果，未通过则等待操作，自检通过后，进入自动测量模式，约0.5分钟后输出有效数据。完成一个测量周期后，进入低功耗休眠状态，等待下一次测量点到来，重复以上过程。

实施例4：

系统上电，完成自检后，进行初始化功能模块，进入工作测量循环。上电后，首先完成通信模块的初始化，然后完成系统参数的初始化，初始化外部传感器及流速测量单元，设定工作周期，最后进入自动测量工作模式。

在自动测量工作模式下，压力、姿态、温度数据以4Hz频率更新。

海流计发射声波信号，采集回波信号，融合温度、姿态、压力数据，解算出海流矢量数据，根据系统参数选择数据存储到SD卡或发送到上位机或者两者同时进行。完成设定工作周期时间，系统进入休眠状态，等待RTC唤醒信号，唤醒信号到来，再次重复以上过程。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用声学多普勒海流计测流的方法，所述声学多普勒海流计包括换能器、系统控制模块、测量处理模块、压力传感器、姿态传感器、温度传感器、电源转换模块、碱性电池组及壳体，其特征在于，所述测流方法具体步骤为：

1)所述声学多普勒海流计根据换能器获取的四路波束回波信号，结合海流计的系统参数、姿态、温度、压力信息及声速信息计算波束底深度、波束底速度；

2)将上述数据合成三维矢量速度，进行坐标转换；

3)将得到的测流数据平滑滤波；

4)测流结果输出。

2.如权利要求1所述的一种利用声学多普勒海流计测流的方法，其特征在于，所述测量处理模块包括信号发射机模块、信号接收机模块、信号处理模块，完成发射信号的生成、发射及反射信号的接收处理、信号处理、计算海流流速的任务。

3.如权利要求1所述的一种利用声学多普勒海流计测流的方法，其特征在于，所述信号发射机模块将信号处理模块产生的具有一定重复周期、脉冲宽度和频率的电信号通过功率放大部分进行功率放大并将电信号加到换能器上，所述换能器转换成相应的声波信号发射出去；所述功率放大部分采用D类功率放大电路实现，在所述信号处理模块的控制下生成功率放大的驱动信号。

4.如权利要求1所述的一种利用声学多普勒海流计测流的方法，其特征在于，所述信号接收机模块接收由换能器输入的回波信号，经过隔离变压器匹配、前级放大器、带通滤波、时变增益TVG放大、后置滤波器、后置放大器后输出到信号处理模块；所述信号处理模块为OMAP部件，可完成测流控制和信号处理算法、接收系统控制模块汇总输入的各传感器信号、对各传感器的数据进行解算和融合，解算出海流流速、流向参数。

5.如权利要求1所述的一种利用声学多普勒海流计测流的方法，其特征在于，步骤3)中所述测流数据为海水介质与海流计的相对运动速度，其具体测算方式为：τ为发射与回波脉冲时间间隔变化，姿态传感器的布置需与海流计坐标系结合布置，姿态传感器为西北天坐标系，其北向与海流计的X轴指向重合，所述换能器个数为4个，所述4个换能器向四个方向发射一对宽带脉冲信号，该对脉冲信号的时间间隔为t₀，南、北、东、西四方向波束上的回波脉冲对的时间间隔为t₁、t₂、t₃、t₄，则海流速度在南北方向上的分量μ_北为：在东西上的分量μ_东为：最后对东西方向的速度矢量合成，解算出流速及流向参数。

6.如权利要求5所述的一种利用声学多普勒海流计测流的方法，其特征在于，对所述回波脉冲对的时间间隔为t₁、t₂、t₃、t₄采用互谱精确时延测量方法精确测定脉冲间的时间间隔，所述互谱精确时延测量方法为：设某一海水介质对第一个宽带脉冲信号回波为：x₁(t)＝S(t)，第二个宽带脉冲信号：x₂(t)＝S(t+τ)，对这两个信号进行傅里叶变换，即：

$x_1\left(f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{x}_1\left(t\right)e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s\left(t\right)e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt;$

$x_2\left(f\right)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}{x}_2\left(t\right)e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{\mathrm{\∞}}s(t+\mathrm{\τ})e^{(-j2\mathrm{\π}ft)}dt=x_1\left(f\right)e^{j2\mathrm{\π}ft};$

互谱Y(f)为：时延τ的信息包含在互谱Y(f)的相位角中， 由于存在噪声干扰，与宽带信号频率f₁对应的τ₁存在测量误差，采用最小二乘法或平均加权法对τ进行估计：

或

7.如权利要求6所述的一种利用声学多普勒海流计测流的方法，其特征在于，采用经验公式对水流声速进行校准：

c＝1450+4.21T-0.037T²+1.14(S-35)+0.175P，

其中，T为温度、S为盐度、P为压强。

8.如权利要求7所述的一种利用声学多普勒海流计测流的方法，其特征在于，所述步骤3)采用多次测量结果进行平滑处理进一步提高测流精度；对宽带信号测流单次测流方差估计：其中，V_a为模糊速度，λ为波长，T为信号长度，为信噪比，L为字码数，据此公式，对多次测流结果平滑处理后，海流计可达到设计测流精度。