CN106124800A - 一种新的adcp滑动平均精细化处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新的ADCP滑动平均精细化处理方法，针对ADCP测量中出现的相邻流速对本层流速计算时的干扰问题，提出了对回波信号精细化处理模式，对回波信号进行划分时，相邻两帧信号相互重叠，使得对某一特定流层流速进行滑动平均处理的样本点变多，有效地抑制了相邻流层对本层流速的计算干扰，从而提高测量精度。

Description

一种新的ADCP滑动平均精细化处理方法
技术领域
本发明涉及一种新的ADCP滑动平均精细化处理方法，用于对声学多普勒流速剖面仪测量方法的改进，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(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)是一种利用多普勒原理工作的测速声纳，广泛应用于海洋环境监测、海洋开发、海洋科学研究等领域。在整个ADCP系统中，算法是整个系统的灵魂与核心，算法性能的好坏直接影响着最终的测流结果。ADCP通过换能器下水体中发生声波脉冲，发射完毕后换能器迅速切换至接收状态接收水体中的散射回波，通过计算回波信号中的多普勒频偏得到水流相对于ADCP的运动速度，从而求得水流的流速。
ADCP相对于以往机械式的流速测量仪，其主要优势之一是可以得到水流的剖面流速，故在测量前需对水流进行分层，分别得到分层后每个流层的流速再绘制流速剖面图。对于一段已接收的回波信号，ADCP系统通过固定长度的时间门对回波信号进行划分，不同时段的回波对应不同深度流层，通过声波在水体中的速度将回波的时间段与水体的空间段联系起来。由于发射的声脉冲是一段时长的信号，故任意时刻的回波大小是发射脉冲不同部分在不同水流深度处散射体散射的叠加总和。故用于计算某一流速的单帧回波信号中总有相邻流层的散射体的作用，使得相邻层流速对本层流速的计算产生干扰。当相邻流层水流速度变化较大时，这种干扰作用显得尤其明显。就目前而言，在ADCP研究领域，国内外对这一问题的研究甚少，相关公司及研究机构也未提出对这一问题的官方正式解决方案。
发明内容
发明目的：针对ADCP测量中出现的相邻流速对本层流速计算时的干扰问题，本发明提供一种新的ADCP滑动平均精细化处理方法，对回波信号精细化处理模式，对回波信号进行划分时，相邻两帧信号相互重叠，使得对某一特定流层流速进行滑动平均处理的样本点变多，从而提高测量精度，消除流速测量时的层间干扰问题。
技术方案：一种新的ADCP滑动平均精细化处理方法，包括以下步骤：
1.设计回波信号精细化处理模式。传统的ADCP回波处理都是非精细化处理模式，在这种模式下，按照发射信号的长度对接收的一段回波信号进行等长划分，划分后得到的信号中相邻两帧回波数据没有重叠。而在精细化处理模式下，按照发射信号的长度对接收的一段回波信号进行等长划分，划分后得到的相邻两帧回波数据相互重叠。重叠大小可在显控端设置。
2.用户利用显控端的显控界面的仪器配置模块设置精细化处理时各帧回波信号的重叠率，通过异步串口将相关信息传送到开发板。开发板根据接收到的回波信号的重叠率对回波进行划分。对于划分后得到的单帧回波信号，利用复自相关运算得到该帧信号中的多普勒频偏，从而求得单帧回波信号对应的流速。
3.基于分层原理，采用滑动平均处理方法抑制相邻流层对本层流速计算时的干扰。滑动平均处理的单个样本点为单帧回波信号计算得到的多普勒频偏值，用于滑动平均的样本点的选取依据为：对于某一待测的流层，若某帧回波中待测流层的散射体对这帧信号的散射时间超过该帧信号总时间的一半，则该帧信号得到的频偏可用作为待测流层滑动平均处理的样本点。否则不用于待测流层滑动平均处理的样本点。
4.确定滑动平均处理时各样本点的加权系数。对于用于滑动平均处理的各样本点，根据分层原理，对于n点滑动平均处理，分别得到各帧信号中待测流层散射体对本帧信号的作用时间占本帧信号时间总长度的比值，分别记作a1，a2…an，则各样本点的加权系数w1，w2…wn分别为a1/(a1+a2+...an)，a2/(a1+a2+...an)….an/(a1+a2+...an)。根据各样本点数值和加权系数，通过滑动平均法得到最终的流速。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
1.通过滑动平均处理，有效地抑制了计算某一特定流层测速时相邻流层对本层流速的干扰。
2.分层的精细化程度即用于滑动平均处理的样本数可根据当前海洋环境的不同而改变。系统加强了开发板与上位机的通信，精细化处理时，各帧回波信号的重叠率可根据用户的意愿改变，开发板会根据接收到的不同的重叠率改变算法的相应参数。
附图说明
图1为ADCP分层原理；
图2(a)是非精细化处理模式下回波划分示意图，图2(b)精细化处理模式下回波划分示意图；
图3为发明的实现过程；
图4(a)是非精细化处理模式下各流层预设频偏与测量结果，图4(b)是非精细化处理模式下2点滑动平均处理后各流层预设频偏与测量结果，图4(c)是精细化处理模式下3点滑动平均处理后各流层预设频偏与测量结果。
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，横坐标表示时间，纵坐标表示水流深度，其中0到h1这一段是盲区，h1之后的水流深度按层厚进行等分，h1到h2是第一层水流深度，h2到h3是第二层水流深度，以此类推。在0时刻换能器发射声波信号，T时刻发射完成，发射信号总长度为T。对于第n层水流的流速水体分层中，第n层即深度范围在hn～hn+1这一段水流的流速，在算法实现中对应着回波中tn～tn+1，tn时刻接收的回波是声脉冲始端在hn+1处、末端在hn处及其余各段在hn～hn+1中对应位置处的散射叠加，用线段AB表示。tn+1时刻接收的回波对应声脉冲在水中散射的区域用线段EF表示。AB、EF的方向均表示散射回波在水中的传播方向，必有AB平行于EF，当A点运动到E点时，B点也处于F点，当线段从AB沿着线段AE(或者BF)方向运动到EF时，在时间轴上对应着tn到tn+1这一段回波，第n层的流速信息是通过这段回波求得的。在紧接着tn的下一个时刻，声脉冲的始端刚开始离开A点即刚开始离开第n层水流，进入第n+1层，此时该时刻的回波中已有一部分是下一个水层对回波的贡献，直到tn+1时刻，EF已完全位于第n+1层水流中，tn+1时刻回波信号中没有第n层散射体对回波信号的散射作用。故用于计算第n层的回波信号tn～tn+1中可用于计算第n层流速的信号占总信号长度的二分之一，故传统ADCP回波处理方式中当前流层的测量总有下一层流层的流速对本层流速的干扰。对于计算第n-1层的回波信号tn-1～tn中可用于计算第n-1层流速的信号占总信号长度的二分之一，可用于计算第n层流速的信号同样占总信号长度的二分之一。故对于第n层流速，在未采样精细化处理的模式下，可采用两点滑动平均处理的方式抑制相邻层数对本层流速的干扰，加权系数各为1/2。而进行回波信号精细化处理后，可用于滑动平均处理的样本点数变多，处理效果变好。
图2(a)是非精细化处理模式下回波划分示意图，划分后相邻两帧回波间没有重叠，图2(b)是精细化处理模式下回波划分示意图，划分后相邻两帧回波间有重叠，其中横坐标为时间轴，划分回波信号的长度大小对应着发射信号的大小，划分后各帧回波信号是等长的。对于开发板，设置的重叠率为a，N'是精细化处理后的分层层数，N是精细化处理前的分层层数，
则有通过精细化处理，使得滑动平均处理时样本点数变多，滑动平均处理效果变好。
如图3所示，用户可根据当前测量环境与测量要求在显控端设置精细化处理程度，即划分回波信号时各帧回波的重叠率。开发板接收到显控端传来的重叠率，依据重叠率对回波信号进行划分。若发射信号长度为T，在非精细化处理模式下，相邻两帧回波信号的起始点间隔为T。本例中精细化处理模式设置回波信号的重叠率为50％，相邻两帧回波信号的起始点间隔为T/2。对于非精细化处理模式下的滑动平均处理，第n层流速可用tn-1～tn和tn～tn+1这两段信号求得的流速进行简单滑动平均处理得到。对于本例中重叠率为50％精细化处理模式下，tn-1～tn+1这一段回波共可分为3帧信号，每帧回波中第n层散射体的作用时间占回波信号的总时间分别为1/2、3/4、1/2，滑动平均处理时各样本点加权系数的计算对应公式分别为(1/2)/(1/2+3/4+1/2)、(3/4)/(1/2+3/4+1/2)、(1/2)/(1/2+3/4+1/2)，大小分别为2/7、3/7、2/7。根据各样本点大小与加权系数，通过滑动平均处理得到最终的流速。
图4(a)是非精细化处理模式下未进行滑动平均处理时各流层的仿真结果，由于各流层的预设频偏呈增长趋势，用于计算本层流速的回波信号中总有下一层水体中的散射体的散射作用，测量得到的结果整体偏大。图4(b)是非精细化处理模式下2点滑动平均处理后各流层的仿真结果，测量得到的结果相对于图4(a)各测量值普遍降低，但对于流层突变的流速值测量误差较大，不能反应该流层的流速细节。图4(c)是精细化处理模式下3点滑动平均处理后各流层的仿真结果，与预设频偏相仿，流层突变的细节也凸显出来，测量效果较好。
一种新的ADCP滑动平均精细化处理方法可以有效地抑制流速测量时相邻流层对本层流速的干扰，同时可根据当前环境调整划分的各回波重叠率，适时地调整精细化处理程度，提高系统的实时性。

Claims (3)

1.一种新的ADCP滑动平均精细化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计回波信号精细化处理模式；在精细化处理模式下，按照发射信号的长度对接收的一段回波信号进行等长划分，划分后得到的相邻两帧回波数据相互重叠；重叠大小可在显控端设置；
2)用户利用显控界面的仪器配置模块设置精细化处理时各帧回波信号的重叠率，根据回波信号的重叠率对回波进行划分；对于划分后得到的单帧回波信号，利用复自相关运算得到该帧信号中的多普勒频偏，从而求得单帧回波信号对应的流速；
3)基于分层原理，采用滑动平均处理方法抑制相邻流层对本层流速计算时的干扰；
4)确定滑动平均处理时各样本点的加权系数；根据各样本点数值和加权系数，通过滑动平均法得到最终的流速。
2.如权利要求1所述的新的ADCP滑动平均精细化处理方法，其特征在于，3)中滑动平均处理的单个样本点为单帧回波信号计算得到的多普勒频偏值，用于滑动平均的样本点的选取依据为：对于某一待测的流层，若某帧回波中待测流层的散射体对这帧信号的散射时间超过该帧信号总时间的一半，则该帧信号得到的频偏可用作为待测流层滑动平均处理的样本点；否则不用于待测流层滑动平均处理的样本点。
3.如权利要求1所述的新的ADCP滑动平均精细化处理方法，其特征在于，4)中对于用于滑动平均处理的各样本点，根据分层原理，对于n点滑动平均处理，分别得到各帧信号中待测流层散射体对本帧信号的作用时间占本帧信号时间总长度的比值，分别记作a1，a2…an，则各样本点的加权系数w1，w2…wn分别为a1/(a1+a2+...an)，a2/(a1+a2+...an)….an/(a1+a2+...an)，根据各样本点数值和加权系数，通过滑动平均法得到最终的流速。
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