CN108732378B - 一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法，包括：步骤1)将声学多普勒流速剖面仪发射的声波波束的辐射区域剖分成若干具有不同高度的圆台体散射流层研究单元；步骤2)利用声学多普勒流速剖面仪发射声波波束，并以声学耦合的方式采集，同时转换为调制脉冲信号；步骤3)模拟生成辐射区域内各流层对应的散射回波信号，并转换为声学脉冲进行发射；步骤4)利用声学多普勒流速剖面仪以声学耦合的方式接收步骤3)中发射的声学脉冲，计算获得各流层对应的速度数值，并与标准值进行比较，进而判断声学多普勒流速剖面仪的工作性能。本发明的方法实现了高精度的声学多普勒流速剖面仪陆上自主测试。

Description

一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法

技术领域

本发明涉及声学多普勒流速剖面仪测试技术领域，具体涉及一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法。

背景技术

声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profile，多普勒流速剖面仪)是一种利用声学换能器发射声学脉冲，通过解算声波回波在随水流运动的悬浮物质中所产生的多普勒频移进行流速测量的仪器。其突出特点是能够测量不同水层的三维流速和流向，且对流场不产生扰动。

随着多普勒流速剖面仪在水文监测、导航领域的广泛应用，对其进行整体功能和性能方面的测试技术已经成为新的研究课题摆在我们面前。因此，在陆上环境下建立多普勒声纳的海洋环境模拟的测试系统则有重要的意义。为此，在声学多普勒流速剖面仪测试技术领域，特别是对多普勒流速剖面仪的测速精度进行测试过程，需要开发一种可模拟海洋环境对待测设备进行仿真环境激励，并通过自动化测试手段进行模块化软件自动测试与自主判据的系统，以降低测试难度，提高测试质量和测试效率，节省测试的时间。

在《一种多普勒声纳陆上测试系统及其测试方法》(专利号：ZL201210048561.X，发明人：马龙；邓锴；吴建波；王长红；张向军；杨靖；潘峰)发明专利中，提及了一种多普勒声纳陆上测试系统及方法，以模拟海洋环境，高精确度地对多普勒声纳进行陆上测试。其中多普勒声纳发射多通道声信号并接收多通道模拟回波信号，对接模块接收与多普勒声纳耦合后的耦合信号；采集耦合后的多普勒声纳发射信号；生成模拟回波信号；调整生成的模拟回波信号；多普勒声纳接收调整后模拟回波信号，计算所需数值；将测得数值与测试设定值比较，以判断多普勒声纳的工作性能。检测系统可以按照海洋声传播的理论模型进行仿真参数设定，对多普勒声纳的发射信号和模拟回波信号进行时空增益补偿，得到模拟回波信号，从而计算相对速度和深度，并根据测得的相对速度及深度和系统预设值比较，以获取多普勒声纳的性能参数。原发明专利主要是通过对多普勒声纳底反射回波模拟完成多普勒声纳陆上测试，而对于声学多普勒流速剖面仪，由于其工作原理的特异性，需要分析声学多普勒流速剖面仪利用声学换能器发射声学脉冲，在随水流运动的悬浮物质中产生的散射回波信号。测量声波束方向上的流速剖面来得到数十至上百层水流速度，进而反映流场情况。因此，上述测试方法不适用于声学多普勒流速剖面仪的模拟测试与性能分析。

发明内容

本发明的目的在于，为了实现声学多普勒流速剖面仪工作性能的测量，本发明根据多普勒流速剖面仪的工作原理，在原有技术背景基础上，改进了信号模型及其信号处理方式，从而提供一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法。

为了实现上述目的，本发明提供的一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法，包括：

步骤1)将声学多普勒流速剖面仪发射的声波波束的辐射区域剖分成若干具有不同高度的圆台体散射流层研究单元；

步骤2)利用声学多普勒流速剖面仪发射声波波束，并以声学耦合的方式采集，同时转换为调制脉冲信号；

步骤3)模拟生成辐射区域内各流层对应的散射回波信号，并转换为声学脉冲进行发射；

步骤4)利用声学多普勒流速剖面仪以声学耦合的方式接收步骤3)中发射的声学脉冲，计算获得各流层对应的速度数值，并与标准值进行比较，进而判断声学多普勒流速剖面仪的工作性能。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤3)中模拟生成辐射区域内各流层对应的散射回波信号s_i(t)表示为：

其中，Δf_i为第i层水层单元散射回波的多普勒频移，r_i为第i层水层单元距离声波发射换能器的距离，ω_i为第i层水层单元散射回波的相位，c表示声速,f₀为声学多普勒流速剖面仪中心频率，t表示散射回波信号发生时刻。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第i层水层单元散射回波信号的模拟回波强度G_i表示为：

G_i＝K-G′-G″+TL_i+S_v

其中，K为常数，G′为声学耦合方式采集声学多普勒流速剖面仪发射信号过程的电路总增益，G″为声学耦合方式采集模拟回波处理过程的电路总增益，r_i为第i层水层单元与声学多普勒流速剖面仪的距离，为声学多普勒流速剖面仪发射的声波波束倾角，a为吸收系数，S_v为体积散射强度，TL_i为双程传播损失。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的第i层水层单元散射回波的多普勒频移通过对模拟回波电脉冲信号进行频率调制获得，该模拟回波电脉冲信号的输出信号频率表示为：

其中，f_clk为用于产生散射回波信号的时钟频率，N为相位累加器的位数，K为频率控制字。

本发明的一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法优点在于：

本发明通过对声学多普勒流速剖面仪声学散射回波特性的分析和模拟，按照海洋声传播的理论模型进行仿真参数的设定，实现了高精度的声学多普勒流速剖面仪陆上自主测试；具有易用性强、受试验条件约束小、测试精度高、测试方法灵活的特点。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法流程图。

图2为声学多普勒流速剖面仪波束照射水层剖面示意图。

图3为模拟回波信号的强度随水层剖面深度变化的曲线。

图4为利用本发明的自动化测试方法模拟获得的单一水层测速结果与设定速度对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法进行详细说明。

本发明提供一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法，用于完成声学多普勒流速剖面仪自动化测试。如图1所示，该自动化测试方法具体包括以下步骤：

步骤1)将声学多普勒流速剖面仪发射的声波波束的辐射区域剖分成若干具有不同高度的圆台体散射流层研究单元；

步骤2)利用声学多普勒流速剖面仪发射声波波束，并以声学耦合的方式采集，同时转换为调制脉冲信号；

步骤3)模拟生成辐射区域内各流层对应的散射回波信号，并转换为声学脉冲进行发射；

步骤4)利用声学多普勒流速剖面仪以声学耦合的方式接收步骤3)中发射的声学脉冲，计算获得各流层对应的速度数值，并与标准值进行比较，进而判断声学多普勒流速剖面仪的工作性能。

实施例一

以上述该自动化测试方法，在本实施例中进行具体实施的步骤为：

步骤101：检测系统完成初始参数设定，以便将声学多普勒流速剖面仪发射的声波波束的辐射区域剖分成若干具有不同高度的圆台体散射流层研究单元。

如图2所示，声学多普勒流速剖面仪发射的声波波束开角为的声波波束辐射区域形成一个圆锥体。声学多普勒流速剖面仪发射声波的波束在水体中传播过程中本没有明显的界限，为了研究方便，我们在波束方向上人为的划分出若干固定层厚的水层，回波信号可以离散化为N层水层单元散射回波的叠加

在距离圆锥体顶点为r_i的位置划定高度为H的一个圆台体的研究单元，如此将声波波束辐照空间范围内按照划定出从1～N个圆台体散射流层研究单元。因此，检测系统设定层厚h＝H，设定层数N个，同时设定三维坐标系下第1～N层各个圆台体散射流层研究单元(模拟水层)的水体相对于声学多普勒流速剖面仪的相对运动速度值V_i来模拟声学多普勒流速剖面仪声波照射的波束范围内的各层流速。

步骤102：将步骤101中发射的声波波束以声学耦合的方式采集，实现多通道信号接收，并转换为调制脉冲信号。

所述声学多普勒流速剖面仪通过声学换能器发射声波，并通过声学耦合的方式多通道采样声学多普勒流速剖面仪发射的声波。采样通道数与声学多普勒流速剖面仪用于测定流速而发射声学波束的换能器数量相同。

步骤103：利用步骤102中采集的调制脉冲信号模拟生成辐射区域内各流层对应的散射回波信号，并转换为声学脉冲进行发射。分层散射回波信号的计算过程为：

声学多普勒流速剖面仪利用换能器发射声波束后，对于某一特定流层的辐射体为一个圆台体区域。换能器接收到的声学回波信号为圆台体内所有体积散射回波之和。通过模拟测量在随水流运动的悬浮物质中产生的散射回波信号的多普勒频移，从而得到数十至上百个圆台体单元层构成的流速剖面中各层的水流速度。利用这个原理，构造出声学多普勒流速剖面仪在各个水层单元的回波信号，其中，各层回波信号之间的发射时延为Δt_i＝2r_i/c。

考虑声波传播过程中的球面扩散及传播损失，第i层水层单元散射回波信号表示为

其中，Δf_i为第i层水层单元散射回波的多普勒频移，r_i为第i层水层单元距离声波发射换能器的距离，ω_i为第i层水层单元散射回波的相位，c表示声速，f₀为声学多普勒流速剖面仪中心频率，t表示散射回波信号发生时刻。

使用各个模拟研究单元模拟回波电脉冲信号频移替代因多普勒流速剖面仪与水层相对运动而产生的声多普勒频移，使多普勒流速剖面仪反馈得到三维模拟速度。为此，需要在模拟回波信号中对应的第i层圆台体区域散射体研究单元的模拟回波电脉冲信号中加入设定好的频率调制，使得散射回波信号中输出信号频率f_out＝f₀+Δf_i，等同于在设定模拟回波信号中增加了多普勒频移分量。

在本发明中采用直接数字合成方式的频率合成技术(Direct DigitalSynthesis,DDS)生成模拟回波电脉冲信号；通过相位累加器和高速时钟分频的方式构成模拟会波电脉冲频率调制电路，散射回波信号中输出信号频率f_out＝f₀+Δf_i就转化为设定相位累加器的位数N及频率控制字K来完成。具体输出信号的关系为其中f_clk为用于产生散射回波信号的时钟频率，N为相位累加器的位数，K为频率控制字。

多普勒频移与各流层速度对应关系如下：

其中，Δf_i为第i层圆台体区域散射体研究单元的模拟回波电脉冲信号中调整频率的频移，V_xi，V_yi，V_zi为第i层流层的三维流速分量。

按照4波束正交方法得到四个通道的频移分量如下：

其中，Δf_i1、Δf_i2、Δf_i3、Δf_i4为第i层圆台体区域散射体研究单元的模拟回波电脉冲信号中调整频率的频移分量，c为声速，为波束倾角的函数。

另外，由于各流层的散射回波信号的声强不同，为此需要模拟各水层单元散射回波信号的模拟回波强度。

我们通过声学耦合方式采集多普勒流速剖面仪发射信号过程的电路总增益是已知量G′，声学耦合方式采集模拟回波处理过程的电路总增益是G″，第i层水层单元散射回波信号的模拟回波强度用G_i表示，根据总增益等于声学多普勒流速剖面仪发射的声信号的双程传播损失TL_i与体积散射强度S_V之和的原理，则有：

G′+G_i+G″＝K+TL_i+S_v

由此可得，第i层水层单元散射回波的模拟回波强度G_i进一步表示为：

G_i＝K-G′-G″+TL_i+S_v

双程传播损失TL_i通过水声原理的常规理论可以证明并建立其模型。在本方法中，可取TL_i＝30log(r_i)+2ar_i×10^-3。

其中，G_i为模拟回波强度，K为常数，G′为声学耦合方式采集多普勒流速剖面仪发射信号过程的电路总增益，G″为声学耦合方式采集模拟回波处理过程的电路总增益，r_i为第i层水层单元与声学多普勒流速剖面仪的距离，a为吸收系数，S_v为体积散射强度。

根据以上推导，可以得到如图3中所示的整个声学波束辐照范围内各个分层的模拟回波信号的强度随水层剖面深度变化的曲线。

由于各流层对于信号的回波均会通过上述公式得到等效的模拟电脉冲信号，则实际生成的回波信号应为各个流层信号对于流层剖面深度的叠加，而流层剖面深度对应的是声学多普勒流速剖面仪的发射信号到接收到对应剖面水层的体积散射回波信号的延时。各个水层模拟回波信号的强度随水层剖面深度变化的曲线如图3所示。因此，应对照曲线对生成的模拟回波信号进行增益补偿，以保证模拟回波与声学多普勒流速剖面仪声波波束实际传播过程一致。各层的模拟回波信号结合模拟回波强度可得到整个深度剖面的模拟信号

步骤104：利用声学多普勒流速剖面仪以声学耦合的方式接收步骤103中发射的声学脉冲，使得等效回波信号的调制脉冲信号形式，通过声学多普勒流速剖面仪以声学耦合方式采集得到的信号形式解析获得，并接收多通道水体散射回波信号。

步骤105：在声学多普勒流速剖面仪通过声学耦合的方式接收到模拟散射回波信号后，等效计算各个水层的多普勒频移，通过声学多普勒流速剖面仪以各个水层的多普勒频移进一步计算，从而得到各圆台体散射流层研究单元也就是各流层的三维速度结果。将测得的剖面各流层速度数值和测试设定值(标准值)比较，进而判断得出声学多普勒流速剖面仪的工作性能。

按照上述自动化测试方法的操作步骤，针对300KHz声学多普勒流速剖面仪进行测试，测试速度设定值1m/s，2m/s，3m/s，4m/s。层厚设置8m，速度返回值如图4所示。速度测量值结果与测试系统设置的测试速度点基本一致,偏差不大于1％的样本数大于99％。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法，其特征在于，包括：

步骤1)将声学多普勒流速剖面仪发射的声波波束的辐射区域剖分成若干具有不同高度的圆台体散射流层研究单元；

步骤2)利用声学多普勒流速剖面仪发射声波波束，并以声学耦合的方式采集，同时转换为调制脉冲信号；

步骤3)模拟生成辐射区域内各流层对应的散射回波信号，并转换为声学脉冲进行发射；所述的步骤3)中模拟生成辐射区域内各流层对应的散射回波信号s_i(t)表示为：

其中，Δf_i为第i层水层单元散射回波的多普勒频移，r_i为第i层水层单元距离声波发射换能器的距离，ω_i为第i层水层单元散射回波的相位，c表示声速,f₀为声学多普勒流速剖面仪中心频率，t表示散射回波信号发生时刻；

步骤4)利用声学多普勒流速剖面仪以声学耦合的方式接收步骤3)中发射的声学脉冲，计算获得各流层对应的速度数值，并与标准值进行比较，进而判断声学多普勒流速剖面仪的工作性能。

2.根据权利要求1所述的用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法，其特征在于，所述第i层水层单元散射回波信号的模拟回波强度G_i表示为：

G_i＝K-G′-G″+TL_i+S_v

其中，K为常数，G′为声学耦合方式采集声学多普勒流速剖面仪发射信号过程的电路总增益，G″为声学耦合方式采集模拟回波处理过程的电路总增益，S_v为体积散射强度，TL_i为双程传播损失。

3.根据权利要求1所述的用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法，其特征在于，所述的第i层水层单元散射回波的多普勒频移通过对模拟回波电脉冲信号进行频率调制获得，该模拟回波电脉冲信号的输出信号频率表示为：

其中，f_clk为用于产生散射回波信号的时钟频率，N为相位累加器的位数，K为频率控制字。