CN106248991A - 一种低信噪比下的adcp解测速模糊方法 - Google Patents

一种低信噪比下的adcp解测速模糊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低信噪比下的ADCP解测速模糊方法，针对声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在测量中存在测速模糊问题，本发明通过改变对回波信号进行复自相关运算的延时，比较不同延时下计算得到的相位关系，确定最终的解模糊修正系数。其特征是进行两次延时改变，分别计算两次延时改变下测得的相位与原相位的关系，在保证解模糊准确性的同时提高了解模糊的范围。

Description

一种低信噪比下的ADCP解测速模糊方法
技术领域
本发明涉及一种低信噪比下的ADCP解测速模糊方法，具体是一种对声学多普勒流速剖面仪算法误差的修正方法，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(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。ADCP通过复自相关算法得到回波信号中的多普勒频偏，从而得到当前水流的流速。其主要思想是利用两段回波信号之间的相位差，通过相位差的导数求得频率信息。
ADCP系统中，利用复自相关算法求取两段脉冲回波信号的相位差φs(τ)，需先得到相位差φs(τ)的正切值tanφs(τ)，再根据arctanφs(τ)得到φs(τ)。由于arctanφs(τ)的取值范围被限定在(-π,π]，故当相位差φs(τ)的值超过(-π,π]，通过arctanφs(τ)得到不正确的结果。测量得到的相位差与真实相位差相差k×2π，从而得不到正确的流速，这种现象称之为测速模糊，对这种现象的修正称为解模糊。k称为解模糊系数，也叫修正系数。就目前而言，针对ADCP系统中存在的测速模糊问题，普遍采用寻找回波信号相关函数峰值的方法确定流速的大致范围，从而确定解模糊系数。包括RDI、TRDI、SonTek等比较著名的ADCP制造公司普遍采用这种解模糊方法，但一些具体的技术细节没有公布。另外，当回波信号的信噪比较低时，回波信号相关函数峰值的位置会出现较大偏移从而产生错误解模糊，得不到准确的流速。
发明内容
发明目的：针对声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在测量中存在测速模糊问题，本发明提供一种低信噪比下的ADCP解测速模糊方法，通过改变回波信号进行复自相关运算的延时，比较不同延时下计算得到的相位差，确定最终的解模糊修正系数，从而提解决了ADCP系统测流过程中出现的测速模糊问题。
技术方案：一种低信噪比下的ADCP解测速模糊方法，包括以下步骤：
1.根据目前使用较为广泛的宽带测量方式，ADCP工作时向水体中发射编码脉冲调制信号，编码的形式为巴克码。一次发射信号中包含至少两组编码脉冲信号，编码脉冲的周期大小即为编码脉冲信号的长度。
2.通过复自相关算法得到回波信号中的多普勒频偏。设置一次发射信号中的单个编码脉冲信号长度为τ1，要得到最终回波中的多普勒频偏，需先利用复自相关得到一次发射信号对应的接收回波中相邻两个编码脉冲信号的相位差，复自相关算法中两段编码回波信号的延时大小对应单个编码信号的长度，记为τ1，得到此延时下的相位差记作φ'(τ1)，此延时下的真实相位差用φ(τ1)表示。其中，若测量过程中没有产生测速模糊，则有φ(τ1)＝φ'(τ1)。若产生测速模糊，则有φ(τ1)＝φ'(τ1)+k×2πk＝±1,±2...，k为此延时下对相位差φ'(τ1)的解模糊系数。
3.改变两个脉冲之间的延时，即改变单个编码脉冲信号的长度，使得此时用于进行复自相关运算的延时τ2＝1/lτ1，其中l称为延时改变系数。此延时下相邻两个脉冲回波间的真实相位差记为φ(τ2)，复自相关处理得到的相位为φ'(τ2)。对于回波中特定的多普勒频偏f，延时为τ的两段回波信号进行复自相关运算后得到的相位差表示为f×τ。根据两次测量下延时的关系可得两次延时下的真实相位差关系为φ(τ2)＝1/lφ(τ1)。由于l较小，为大于1小于8的整数，对φ(τ2)的求取仍可能存在测速模糊，真实相位差φ(τ2)与测量相位差φ'(τ2)的关系可表示为φ(τ2)＝φ'(τ2)+k1×2πk1＝±1,±2...，k1是对相位差φ'(τ2)的解模糊修正系数。由于φ(τ2)＝1/lφ(τ1)，而φ(τ1)和φ(τ2)可用测量得到的φ'(τ1)和φ'(τ2)分别表示，对应关系分别为φ(τ1)＝φ'(τ1)+k×2πk＝±1,±2...和φ(τ2)＝φ'(τ2)+k1×2πk1＝±1,±2...。使得表达式|φ(τ2)-1/lφ'(τ1)-k/l×2π|结果最小的k值即为最终的解模糊系数。但由于φ(τ2)未知，可根据表达式|φ'(τ2)-1/lφ'(τ1)-k/l×2π|，得到该表达式结果最小的k的取值，记为k1'，称为延时在τ2下对测流结果的解模糊修正系数。根据φ(τ2)和φ'(τ2)的关系可得k与k1'的关系为k＝k1'+k1×l。
4.改变两个脉冲之间的延时，使得此时用于进行复自相关运算的延时τ3＝1/mτ1，其中m称为延时改变系数。此延时下相邻两个脉冲回波间的真实相位差记为φ(τ3)，复自相关处理得到的相位为φ'(τ3)。根据两次测量下延时的关系可得两次延时下的真实相位差关系为φ(τ3)＝1/mφ(τ1)。由于m较小，为大于1小于8的整数，对φ(τ3)的求取仍可能存在测速模糊，真实相位差φ(τ3)与测量相位差φ'(τ3)的关系可表示为φ(τ3)＝φ'(τ3)+k2×2πk2＝±1,±2...，k2是对相位差φ'(τ3)的解模糊修正系数。由于φ(τ3)＝1/mφ(τ1)，而φ(τ1)和φ(τ3)可用测量得到的φ'(τ1)和φ'(τ3)分别表示，对应关系分别为φ(τ1)＝φ'(τ1)+k×2πk＝±1,±2...和φ(τ3)＝φ'(τ3)+k2×2πk2＝±1,±2...，使得表达式|φ(τ3)-1/mφ'(τ1)-k/m×2π|结果最小的k值即为最终的解模糊系数。但由于φ(τ3)未知，可根据表达式|φ'(τ3)-1/mφ'(τ1)-k/m×2π|，得到该表达式结果最小的k的取值，记为k'2，称为延时在τ3下对测流结果的解模糊修正系数。根据φ(τ3)和φ'(τ3)的关系可得k与k'2的关系为k＝k'2+k2×m。
5.根据两次延时改变下求得的解模糊修正系数k1'，k'2。同时满足式k＝k1'+k1×l和式k＝k'2+k2×m的最小值k即为最终的解模糊系数。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
1.单次测量时延时改变系数较小，解模糊时相邻两个k的取值代表的相位值间隔较大，单次解模糊的精度较高。
2.同时满足两次延时下的解模糊系数为最终结果，通过两次延时改变增大了解模糊范围；
3.在信噪比较低时，在保证解模糊准确性的同时提高了解模糊范围，有效地解决了ADCP系统中的测速模糊问题。
附图说明
图1为解模糊算法的具体实现过程；
图2(a)是不解模糊时各流层预设频偏与测量结果，图2(b)是使用本发明方法解模糊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，低信噪比下的ADCP解测速模糊方法的具体实现过程。对于测量环境，测流共分为30层，预设多普勒频偏从100Hz到21000Hz，逐层递增，频率间隔为700Hz，信号的信噪比为3Db。本例中ADCP的发射信号为二进制编码脉冲调制信号，发射信号载频为600kHz，采用7位Barker码对信号进行调制，调制后每个码元长度为20us，单个脉冲长度即复自相关运算时的时延τ为140us。单次发射信号中包含四个编码脉冲，信号总长度为560us。对于某一流层(其余29层处理方式一样)，运用复自相关算法求得此延时下两个脉冲之间的相位差，记作φ'(τ1)。改变两个脉冲之间的延时即改变单个发射脉冲信号长度使得τ2＝1/2τ1，测得此延时下相邻两个回波脉冲间的相位差，记为φ'(τ2)。根据表达式|φs'2(τ)-1/2φs'1(τ)-k/2×2π|，得到使得该表达式结果最小的k值，记作k1'。改变两个脉冲之间的延时即改变单个发射脉冲信号长度使得τ3＝1/3τ1，测得此延时下相邻两个回波脉冲间的相位差，记为φ'(τ3)。根据表达式|φs'3(τ)-1/3φs'1(τ)-k/3×2π|，得到使得该表达式结果最小的k值，记作k'2。根据已知的k1'，k'2，同时满足式k＝k1'+k1×2和式k＝k'2+k2×3的最小值k即为最终的解模糊系数。其中k1，k2是任意正整数。
图2(a)是信噪比为3dB时不解模糊时各流层预设频偏与测量结果，图2(b)是信噪比为3dB时使用本发明方法解模糊后各流层预设频偏与测量结果。其中横坐标为水流层数，纵坐标为频偏值，红线代表预设频偏，蓝线代表测量得到的结果。从图2(a)可以看出，未进行解模糊前，由于复自相关运算的相关延时为140us，随着预先设置的频偏逐渐增大，得到的相位差也逐渐增大，当预设频偏超过3571Hz时，相位差超过π，对应图2(a)中第7层后的流层，测量出现测速模糊，得到的估计频偏也成周期性变化，得到不准确的结果。图2(b)可以看出解模糊后各流层测量结果与预设值相仿，解模糊效果较好。
低信噪比下的ADCP解测速模糊方法可以在保证解模糊准确性的前提下提高解模糊的范围，可以有效地解决低信噪比下ADCP系统中的测速模糊问题。

Claims (2)

1.一种低信噪比下的ADCP解测速模糊方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据宽带测量方式，ADCP工作时向水体中发射编码脉冲调制信号，一次发射信号中包含至少两组编码脉冲信号，编码脉冲的周期大小即为编码脉冲信号的长度；
2)通过复自相关算法得到回波信号中的多普勒频偏，复自相关算法中两段编码回波信号的延时大小对应单个编码信号的长度，记为τ1；
3)改变两个脉冲之间的延时，即改变单个编码脉冲信号的长度，使得此时用于进行复自相关运算的延时τ2＝1/lτ1，其中l称为延时改变系数；此延时下相邻两个脉冲回波间的真实相位差记为φ(τ2)，复自相关处理得到的相位为φ'(τ2)；对于回波中特定的多普勒频偏f，延时为τ的两段回波信号进行复自相关运算后得到的相位差表示为f×τ；根据两次测量下延时的关系可得两次延时下的真实相位差关系为φ(τ2)＝1/lφ(τ1)；对φ(τ2)的求取仍可能存在测速模糊，真实相位差φ(τ2)与测量相位差φ'(τ2)的关系可表示为φ(τ2)＝φ'(τ2)+k1×2πk1＝±1,±2...，k1是对相位差φ'(τ2)的解模糊修正系数；由于φ(τ2)＝1/lφ(τ1)，而φ(τ1)和φ(τ2)可用测量得到的φ'(τ1)和φ'(τ2)分别表示，对应关系分别为φ(τ1)＝φ'(τ1)+k×2πk＝±1,±2...和φ(τ2)＝φ'(τ2)+k1×2πk1＝±1,±2...；使得表达式|φ(τ2)-1/lφ'(τ1)-k/l×2π|结果最小的k值即为最终的解模糊系数；但由于φ(τ2)未知，可根据表达式|φ'(τ2)-1/lφ'(τ1)-k/l×2π|，得到该表达式结果最小的k的取值，记为k1'，称为延时在τ2下对测流结果的解模糊修正系数；根据φ(τ2)和φ'(τ2)的关系可得k与k1'的关系为k＝k1'+k1×l。
4)改变两个脉冲之间的延时，使得此时用于进行复自相关运算的延时τ3＝1/mτ1，其中m称为延时改变系数；此延时下相邻两个脉冲回波间的真实相位差记为φ(τ3)，复自相关处理得到的相位为φ'(τ3)；根据两次测量下延时的关系可得两次延时下的真实相位差关系为φ(τ3)＝1/mφ(τ1)；对φ(τ3)的求取仍可能存在测速模糊，真实相位差φ(τ3)与测量相位差φ'(τ3)的关系可表示为φ(τ3)＝φ'(τ3)+k2×2πk2＝±1,±2...，k2是对相位差φ'(τ3)的解模糊修正系数；由于φ(τ3)＝1/mφ(τ1)，而φ(τ1)和φ(τ3)可用测量得到的φ'(τ1)和φ'(τ3)分别表示，对应关系分别为φ(τ1)＝φ'(τ1)+k×2πk＝±1,±2...和φ(τ3)＝φ'(τ3)+k2×2πk2＝±1,±2...，使得表达式|φ(τ3)-1/mφ'(τ1)-k/m×2π|结果最小的k值即为最终的解模糊系数；但由于φ(τ3)未知，可根据表达式|φ'(τ3)-1/mφ'(τ1)-k/m×2π|，得到该表达式结果最小的k的取值，记为k'2，称为延时在τ3下对测流结果的解模糊修正系数。根据φ(τ3)和φ'(τ3)的关系可得k与k'2的关系为k＝k'2+k2×m；
5)根据两次延时改变下求得的解模糊修正系数k1'，k'2；同时满足式k＝k1'+k1×l和式k＝k'2+k2×m的最小值k即为最终的解模糊系数。
2.如权利要求1所述的低信噪比下的ADCP解测速模糊方法，其特征在于，设置一次发射信号中的单个编码脉冲信号长度为τ1，要得到最终回波中的多普勒频偏，需先利用复自相关得到一次发射信号对应的接收回波中相邻两个编码脉冲信号的相位差，复自相关算法中两段编码回波信号的延时大小对应单个编码信号的长度，记为τ1，得到此延时下的相位差记作φ'(τ1)，此延时下的真实相位差用φ(τ1)表示；其中，若测量过程中没有产生测速模糊，则有φ(τ1)＝φ'(τ1)；若产生测速模糊，则有φ(τ1)＝φ'(τ1)+k×2πk＝±1,±2...，k为此延时下对相位差φ'(τ1)的解模糊系数。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108828602A (zh) * 2018-03-06 2018-11-16 北京大学 一种脉冲相干法测速中消除速度模糊的信号处理方法
CN110061812A (zh) * 2019-03-28 2019-07-26 东南大学 一种基于动态长度帧处理的分数时延方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0573431A4 (en) * 1990-09-26 1993-05-24 Rowe Deines Instr Inc BROADBAND ACOUSTIC SENSOR DOPPLER FOR CURRENT DETECTION.
US20080080315A1 (en) * 2006-09-28 2008-04-03 Vogt Mark A System and method for accoustice doppler velocity processing with a phased array transducer including using a wide bandwidth pulse transmission to resolve ambiguity in a narrow bandwidth velocity estimate
CN103412295A (zh) * 2013-08-30 2013-11-27 西安电子科技大学 基于回波精确模型的高速机动弱目标检测方法
CN104502627A (zh) * 2014-12-29 2015-04-08 南京世海声学科技有限公司 Adcp中基于发射信号设计与处理的相位模糊解决方法
CN105021843A (zh) * 2015-07-28 2015-11-04 江苏中海达海洋信息技术有限公司 600kHZ宽带声学多普勒流速剖面仪及其实现方法
CN105572650A (zh) * 2015-12-15 2016-05-11 宁波大学 一种宽带复相关流速测量方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0573431A4 (en) * 1990-09-26 1993-05-24 Rowe Deines Instr Inc BROADBAND ACOUSTIC SENSOR DOPPLER FOR CURRENT DETECTION.
US20080080315A1 (en) * 2006-09-28 2008-04-03 Vogt Mark A System and method for accoustice doppler velocity processing with a phased array transducer including using a wide bandwidth pulse transmission to resolve ambiguity in a narrow bandwidth velocity estimate
CN103412295A (zh) * 2013-08-30 2013-11-27 西安电子科技大学 基于回波精确模型的高速机动弱目标检测方法
CN104502627A (zh) * 2014-12-29 2015-04-08 南京世海声学科技有限公司 Adcp中基于发射信号设计与处理的相位模糊解决方法
CN105021843A (zh) * 2015-07-28 2015-11-04 江苏中海达海洋信息技术有限公司 600kHZ宽带声学多普勒流速剖面仪及其实现方法
CN105572650A (zh) * 2015-12-15 2016-05-11 宁波大学 一种宽带复相关流速测量方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘德铸: ""声学多普勒流速测量关键技术研究"", 《中国优秀博士学位论文全文数据库》 *
范峥华: ""ADCP环境适应性处理方法研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108828602A (zh) * 2018-03-06 2018-11-16 北京大学 一种脉冲相干法测速中消除速度模糊的信号处理方法
CN110061812A (zh) * 2019-03-28 2019-07-26 东南大学 一种基于动态长度帧处理的分数时延方法
CN110061812B (zh) * 2019-03-28 2021-11-02 东南大学 一种基于动态长度帧处理的分数时延方法

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