CN108226911A - 一种具有环境适应性的adcp发射频率优化选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，包括步骤如下：S1：通过ADCP换能器接收级中换能器接收级和声源级、单程传播损失、目标强度级、背景噪声级之间的数学关系，得到换能器接收级和声源级、单程传播损失、目标强度级、背景噪声级的声呐方程；S2：根据发射频率、发射换能器的声学直径、发射声波的波长和声源级的数学关系，可以得到声源级的计算公式；S3：根据测量距离、水对声波的衰减系数和单程传播损失的数学关系，可以得到单程传播损失的计算公式，以及其它步骤，得到发射频率的优化选取方法，其相比于发射频率固定的ADCP，采用本发明方法的ADCP的回波信噪比最多可以提高20dB。

Description

一种具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法

技术领域

本发明涉及水下监测领域，尤其涉及一种具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法。

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主动式声纳，用于测量水体的分层流速和断面的流量。ADCP广泛应用于油气矿产开发、生物环境观察、洋流科学考察、水下潜艇作战、波浪长期观测、渔业养殖管理、海上交通安全、水底管道铺设、海岸工程建设与近海环境监测等多个领域。

ADCP的工作流程是首先向目标水层发射一个短脉冲声波，声波经水中散射体散射后有部分声波原路返回，被接收换能器接收并转化为电信号，再经信号调理硬件处理、模数转换和信号处理软件计算后得到目标水层的回波强度、速度等信息。决定ADCP性能的关键因素之一是回波的信噪比(SNR)，下面详细分析影响信噪比的因素。

(一)发射功率：很明显，发射功率越大SNR越大，但受电路硬件的限制ADCP的发射功率大都是固定不变的。

(二)传播损失：声波在水下的传播损失包含距离衰减、海水吸收衰减、粘滞衰减和散射衰减。

(1)距离衰减与传播距离和发射换能器的指向性有关，与散射体无关；

(2)海水吸收衰减包括水对声波的固有吸收和海水中硼酸和硫酸镁的弛豫效应导致的声波衰减，此项衰减只与海水的温度、水下压力有关，与水中散射体无关；

(3)粘滞衰减是指散射体表面的速度切变层对声波的粘性吸收，此项的数值由散射体的浓度、平均粒径和声波波长决定，且对具体声波波长存在一个极值点；

(4)散射衰减是指散射体颗粒对声波的散射引起的衰减，此项主要由散射体浓度、平均粒径决定，但至少比粘滞衰减要小两个数量级。

(三)目标强度：距离目标声学中心1码(1码＝0.9144米)处的回声强度与入射声强的比值的对数，由于ADCP的声波长度远大于散射体的尺寸，探测波束在一定海水内的声散射属于瑞利散射，相对大尺寸目标的几何散射来说比较复杂，目前只有近似的经验公式来计算目标强度。

综上，选择合适的发射频率对于提高ADCP回波SNR至关重要。然而目前还没有最优发射频率的选取办法，所以急需一种科学又实用的方法来解决面临的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计一种具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，解决现有的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，目标回波的强度与ADCP发射声波频率(以下简称发射频率)存在一定的关系。包括步骤如下：

S1：通过ADCP换能器接收级中换能器接收级和声源级、单程传播损失、目标强度级、背景噪声级之间的数学关系，得到换能器接收级和声源级、单程传播损失、目标强度级、背景噪声级的声呐方程；

S2：根据发射频率、发射换能器的声学直径、发射声波的波长和声源级的数学关系，可以得到声源级的计算公式；

S3：根据测量距离、水对声波的衰减系数和单程传播损失的数学关系，可以得到单程传播损失的计算公式；

S4：根据散射体的浓度、散射体的平均粒径、发射声波的波长、发射脉冲的宽度、发射换能器的声学直径、测量距离和目标强度级的数学关系，得到目标强度级的计算公式；

S5：根据接收机的带宽和背景噪声级的数学关系，得到背景噪声级的计算公式；

S6：将换能器接收级用发射频率、发射换能器的声学直径、发射声波的波长、测量距离、水对声波的衰减系数、散射体的浓度、散射体的平均粒径、发射脉冲的宽度、接收机的带宽来表示的等量关系，然后将该数学方程变形得到换能器接收级与发射声波波长的等量关系，即得到换能器接收级与发射频率等量关系；

S7：通过对换能器接收级与发射频率的等量关系求偏导得到最优发射频率的主体部分，再通过用数值拟合的方法求取最优发射频率的修正部分，最后将主体部分和修正部分相加得到最优发射频率，即ADCP优化后的发射频率。

在步骤1中，ADCP的声呐方程为：RL＝SL-2TL+TS+NL，其中RL表示换能器接收级，SL表示声源级，TL表示单程传播损失，TS表示目标强度级，NL表示背景噪声级，以上参数的单位均为分贝(dB)。

在步骤2中，等量方程为其中P为发射功率、单位瓦特(W)，D为发射换能器的声学直径、单位米(m)，λ为发射声波的波长、单位为米(m)。

在步骤3中，等量方程为：TL＝20lgr+βr，其中r为测量距离、单位米(m)，β为水对声波的衰减系数、单位是分贝每米(dB/m)。

在步骤4中，等量方程为：

其中Cs为散射体的浓度、单位是千克每立方米(kg/m³)，Ds为散射体的平均粒径、单位是米(m)，λ为发射声波的波长、单位为米(m)，τ为发射脉冲的宽度、单位是秒(s)，D和r如前所述。

在步骤5中，等量方程为：NL＝70+10lgW，W为接收机的带宽、单位是赫兹(Hz)。

在步骤6中，换能器接收级与发射频率相关的等量关系为：

其中CNST是一个与发射频率f无关的表达式，根据以上分析，我们用求偏导数的方法求取最优频率的主体部分f_opt1，用数值拟合的方法求取最优频率的修正部分f_opt2，最后将二者相加得到最优发射频率f_opt，即f_opt＝f_opt1+f_opt2。

在步骤7中，得到最优化发射频率的主体部分f_opt1为：其中：A₃＝5.59×10^-14+2.37×10^-15T+4.77×10^-17T²-3.48×10^-19T³，P₃＝1-3.84×10^-4P+7.57×10^-8P²，r为测量距离、单位米(m)，e是自然常数2.71828，T的单位为℃，P的单位是标准大气压；

最优化发射频率的修正部分为：

f_opt2≈(-5.744×10^-5Cs+3.037×10^-6)Ds^-1.011+0.247，其中Cs为散射体的浓度、单位是kg/m³，Ds为散射体的平均粒径、单位(m)；

最优化发射频率为f_opt：

本发明的有益效果：本发明是根据实测环境的多个参数(温度、压强、散射体浓度、散射体平均粒径等)优化了ADCP的发射频率，使得回波强度及信噪比得到明显提高。根据具体实施方式中的计算结果，相比于发射频率固定的ADCP，采用本发明方法的ADCP的回波信噪比最多可以提高20dB。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本发明常见发射频率与最优发射频率的效果对比图。

具体实施方式

结合图1，对于一个工作参数(包括发射功率、接收机带宽、换能器尺寸、换能器指向性、发射脉宽等)已经确定的ADCP，观测某个水域(散射体浓度和平均粒径一定)时存在一个使回波强度最大化的最优发射频率。

根据Robert Urick的著作，ADCP换能器接收级可由等式RL＝SL-2TL+TS+NL来表示。其中RL表示换能器接收级，SL表示声源级，TL表示单程传播损失，TS表示目标强度级，NL表示背景噪声级，以上参数的单位均为分贝(dB)。SL、TL、TS和NL可以由以下公式计算得到：

(1)其中P为发射功率、单位瓦特(W)，D为发射换能器的声学直径、单位米(m)，λ为发射声波的波长、单位为米(m)。

(2)TL＝20lgr+βr，其中r为测量距离、单位米(m)，β为水对声波的衰减系数、单位是分贝每米(dB/m)。由Richards和Heathershaw的论文“The effect of suspended particulatematter on sound attenuationin seawater”知道β＝βw+βv+βs，其中βw是纯净海水的衰减系数、βv是粘滞衰减系数、βs是散射衰减系数，它们的单位都是分贝每米(dB/m)。因为βs比其它两项要小得多，计算时可以直接忽略。根据Fisher和Simmons的论文“Sound absorption in seawater”得到如下近似表达式：其中f为发射频率、单位赫兹(Hz)，A₃仅是温度的函数、单位是平方秒每米(s²/m)，P₃仅是水面气压的函数，以上函数详细表达式参见Fisher和Simmons的论文“Sound absorption insea water”第560页。δ＝(1+9/2η<α_s>)/2，s＝(1+1/η<α_s>)×9/4η<α_s>，σ＝ρ_s/ρo，以上均为中间变量。ρ_s和ρ_o分别表示悬浮颗粒和水体的密度，单位kg/m³。v为水体的运动粘度，单位m²/s。ω为发射声波的角频率，单位rad/s。

(3)其中Cs为散射体的浓度、单位是千克每立方米(kg/m³)，Ds为散射体的平均粒径、单位是米(m)，λ为发射声波的波长、单位为米(m)，τ为发射脉冲的宽度、单位是秒(s)，D和r如前所述。

(4)NL＝70+10lgW，W为接收机的带宽、单位是赫兹(Hz)。

为了简化求解最优发射频率，我们将声呐方程RL＝SL-2TL+TS+NL右侧中跟频率有关的项归纳出来得到一个表达式，求取此表达式的最值点即可。鉴于波长λ和频率的关系式：c＝λf，我们挑选出包含λ和f的项，重写为表达式：

其中CNST是一个与发射频率f无关的表达式，与发射频率的最优值没有关系，我们不关心其数值。等式右侧的中括号项是决定最优发射频率值的主体部分，其只与水温、气压和探测范围有关，表达式相对简单，理论推导方便。等式右侧的剩余部分是小幅度改变最优发射频率的修正部分，其与散射体的浓度、平均粒径和测量距离等参数有关，表达式非常复杂，不利于理论推导。根据以上分析，我们用求偏导数的方法求取最优频率的主体部分f_opt1，用数值拟合的方法求取最优频率的修正部分f_opt2，最后将二者相加得到最优发射频率f_opt，即f_opt＝f_opt1+f_opt2。

我们对中括号内的表达式关于f求偏导数并令其为零，即得到最优化发射频率的主体部分f_opt1为：

其中：A₃＝5.59×10^-14+2.37×10^-15T+4.77×10^-17T²-3.48×10^-19T³，P₃＝1-3.84×10^-4P+7.57×10^-8P²，r为测量距离、单位米(m)，e是自然常数2.71828，T的单位为℃，P的单位是标准大气压。

再看得到修正部分的过程。根据唐兆民、唐元春的论文“悬浮泥沙浓度的测量”可知实际环境的悬浮颗粒浓度不超过5kg/m³。根据刘永伟、商德江的论文“含悬浮泥沙颗粒水介质的声吸收实验研究”可知悬浮颗粒的平均粒径在20μm～200μm范围内。根据RL-CNST的表达式计算每一种颗粒浓度和平均粒径条件下的最优发射频率，频率变动的范围是1kHz～1200kHz，步进值是1kHz。根据最优发射频率修正部分随浓度、平均粒径变化的趋势，选取幂函数拟合方法，使用MATLAB的拟合工具Curve Fitting Tool得到修正部分的近似表达式为：

f_opt2≈(-5.744×10^-5Cs+3.037×10^-6)Ds^-1.011+0.247，其中Cs为散射体的浓度、单位是kg/m³，Ds为散射体的平均粒径、单位m。

综上，在给定悬浮颗粒浓度、悬浮颗粒平均粒径、水温、气压和测量距离的条件下ADCP的最优化发射频率为f_opt：

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。

假设待测水体的悬浮颗粒浓度为Cs为4.6kg/m³，平均粒径Ds为23μm，水体温度为20℃，气压为1个标准大气压，测量深度范围r是15m，可以获得最大接收回波信噪比的ADCP最优发射频率f_opt估算如下：

f_opt2≈(-5.744×10^-5Cs+3.037×10^-6)Ds^-1.011+0.247＝-12.5kHz

最终的结果为：

f_opt＝f_opt1+f_opt2＝515.5kHz

为了说明频率优化的效果，我们选取三种常见的ADCP发射频率1200kHz、600kHz、300kHz，与最优的发射频率515.5kHz的接收信号强度级做对比。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：通过ADCP换能器接收级中换能器接收级和声源级、单程传播损失、目标强度级、背景噪声级之间的数学关系，得到换能器接收级和声源级、单程传播损失、目标强度级、背景噪声级的声呐方程；

S2：根据发射频率、发射换能器的声学直径、发射声波的波长和声源级的数学关系，可以得到声源级的计算公式；

S3：根据测量距离、水对声波的衰减系数和单程传播损失的数学关系，可以得到单程传播损失的计算公式；

S4：根据散射体的浓度、散射体的平均粒径、发射声波的波长、发射脉冲的宽度、发射换能器的声学直径、测量距离和目标强度级的数学关系，得到目标强度级的计算公式；

S5：根据接收机的带宽和背景噪声级的数学关系，得到背景噪声级的计算公式；

S6：将换能器接收级用发射频率、发射换能器的声学直径、发射声波的波长、测量距离、水对声波的衰减系数、散射体的浓度、散射体的平均粒径、发射脉冲的宽度、接收机的带宽来表示的等量关系，然后将该数学方程变形得到换能器接收级与发射声波波长的等量关系，即得到换能器接收级与发射频率等量关系；

S7：通过对换能器接收级与发射频率的等量关系求偏导得到最优发射频率的主体部分，再通过用数值拟合的方法求取最优发射频率的修正部分，最后将主体部分和修正部分相加得到最优发射频率，即ADCP优化后的发射频率。

2.如权利要求1所述的具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，其特征在于：在步骤1中，ADCP的声呐方程为：RL＝SL-2TL+TS+NL，其中RL表示换能器接收级，SL表示声源级，TL表示单程传播损失，TS表示目标强度级，NL表示背景噪声级，以上参数的单位均为分贝(dB)。

3.如权利要求2所述的具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，其特征在于：在步骤2中，等量方程为其中P为发射功率、单位瓦特(W)，D为发射换能器的声学直径、单位米(m)，λ为发射声波的波长、单位为米(m)。

4.如权利要求1所述的具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，其特征在于：在步骤3中，等量方程为：TL＝20lgr+βr，其中r为测量距离、单位米(m)，β为水对声波的衰减系数、单位是分贝每米(dB/m)。

5.如权利要求1所述的具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，其特征在于：在步骤4中，等量方程为：

其中Cs为散射体的浓度、单位是千克每立方米(kg/m³)，Ds为散射体的平均粒径、单位是米(m)，λ为发射声波的波长、单位为米(m)，τ为发射脉冲的宽度、单位是秒(s)，D和r如前所述。

6.如权利要求1所述的具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，其特征在于：在步骤5中，等量方程为：NL＝70+10lgW，W为接收机的带宽、单位是赫兹(Hz)。

7.如权利要求1-6所述的具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，其特征在于：在步骤6中，换能器接收级与发射频率相关的等量关系为：

其中CNST是一个与发射频率f无关的表达式，根据以上分析，我们用求偏导数的方法求取最优频率的主体部分f_opt1，用数值拟合的方法求取最优频率的修正部分f_opt2，最后将二者相加得到最优发射频率f_opt，即f_opt＝f_opt1+f_opt2。

8.如权利要求7所述的具有环境适应性的ADCP发射频率优化选取方法，其特征在于：在步骤7中，得到最优化发射频率的主体部分f_opt1为：其中：A₃＝5.59×10^-14+2.37×10^-15T+4.77×10^-17T²-3.48×10^-19T³，

P₃＝1-3.84×10^-4P+7.57×10^-8P²，r为测量距离、单位米(m)，e是自然常数2.71828，T的单位为℃，P的单位是标准大气压；

最优化发射频率的修正部分为：

f_opt2≈(-5.744×10^-5Cs+3.037×10^-6)Ds^-1.011+0.247，其中Cs为散射体的浓度、单位是kg/m³，Ds为散射体的平均粒径、单位(m)；

最优化发射频率为f_opt：