CN110672879A - 一种新型四波束adcp校准方法 - Google Patents

一种新型四波束adcp校准方法 Download PDF

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郭世旭
杨枭杰
赵鹏
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Abstract

本发明涉及一种新型四波束ADCP校准方法。本发明将四波束ADCP固定于旋转机构上，旋转机构和应答器阵列固定于固定框架上，使四波束ADCP其中一个换能器声轴方向正对位于应答器阵列中间的收发换能器，PC机控制水下旋转机构带动四波束ADCP旋转，使四波束ADCP各个换能器声轴方向依次正对收发换能器，当收发换能器接收到ADCP换能器发射的信号后，回发不同频偏和时延的声波信号，以模拟不同水层的流速，根据频偏及时延与不同水层处流速的对应关系，可实现对四波束ADCP的流速校准，并利用应答器阵列对四波束ADCP换能器的电声参数（发射源级、指向性、接收灵敏度）进行校准。

Description

一种新型四波束ADCP校准方法
技术领域
本发明属于校准方法技术领域，尤其是涉及一种新型四波束ADCP校准方法。
背景技术
ADCP（声学多普勒流速剖面仪）作为国内外河道、海洋系统流速流量测量使用的普遍仪器，不同于传统的机械式流速仪，其利用声学换能器发射声波，当发射的声波遇到水中泥沙颗粒、浮游生物等随水流动的散射体时产生背散射，声学换能器接收信号，通过接收到散射声信号的多普勒频移计算流速。其具有非接触，可自动实时在线连续监测等诸多优点,可极大地减小劳动强度、增加工作效率。
四波束ADCP可测量不同水层的三维流速，在国内外被广泛使用，生产厂家给出的技术指标往往是在特定实验环境下的测试结果，对其使用过程中的校准较为困难。目前四波束ADCP的校准主要使用水槽拖车试验和GPS检测法对其进行校准。标准“GB/T 24558-2009”中所述的水槽拖车试验流速校准方式是通过将ADCP固定于拖车底部，拖车分别以不同的速度进行跑车，每个速度纪录ADCP不少于30组数据，将ADCP测量的数据进行统计平均，与拖车速度值进行比较实现的，试验条件要求水池长度大于100m、宽度大于7m、深度大于4.5m；标准“HY/T 102-2007中所述的GPS检测法流速校准方式是通过将ADCP固定于拖车底部，在被检ADCP流速测量范围内选取11个检测速度点，拖车往返航行，同时记录GPS速度测量值、GPS位置测量值和ADCP速度测量值，计算相关系数和误差限来实现的，检测条件要求水深大于100m的水域。这些方法对于试验条件要求高，而且航次试验时间长、成本高，因此，开发一种可在普通小型普通水池中进行四波束ADCP性能校准方法显得尤为重要。
发明内容
针对现有校准方法的不足，本发明提出了一种新型四波束ADCP校准方法，该方法利用声学应答器发射不同频偏和时延的声波信号，模拟不同水层的流速对四波束ADCP进行流速校准，并利用应答器阵列对四波束ADCP换能器的电声参数（发射源级、指向性、接收灵敏度）进行校准。此校准方法系统搭建简单，操作方便，校准环境要求低，成本低。
本发明解决技术问题所采取的技术方案是：
本发明是利用固定框架及旋转机构，使四波束ADCP四个换能器声轴方向依次正对应答器阵列中间的收发换能器声轴方向，当应答器阵列中的收发换能器接收到ADCP换能器发射的信号后，回发带有频偏和时延的声波信号，以模拟不同水层的流速，根据频偏及时延与不同水层处流速的对应关系，可实现对四波束ADCP进行流速校准；并利用应答器阵列对四波束ADCP换能器的电声参数（发射源级、指向性、接收灵敏度）进行校准。具体是：
通过绳索将整体装置固定于小型普通水池中，进行线路的连接，完成校准装置与仪器的搭建。
PC机编写LabVIEW程序，通过RS232串口与伺服电机控制器相连，控制伺服电机旋转台旋转，进而控制四波束ADCP换能器声轴方向依次对准应答器阵列中间的收发换能器。指令设置为每次旋转90°，速度控制为10°/S。
四波束ADCP发射一定频率的声波信号，同时发射信号的同步信号接到信号采集发射装置数据采集卡的一个通道。
信号采集发射装置连接功率放大器，当应答器阵列中的收发换能器接收到ADCP换能器发射的信号后，驱动应答器阵列中间的收发换能器回发具有一定频偏和时延的声波信号，四波束ADCP换能器接收声波信号，进一步处理得到一定深度水层的流速并输出，收发换能器多次发射不同频偏和时延的声波信号，通过将输出流速、水层深度与理论值相比较，完成校准四波束换能器单个换能器的流速校准，通过旋转机构，进而实现四波束ADCP换能器的依次校准，通过矢量合成完成对四波束ADCP流速的校准。
应答器阵列接收到四波束ADCP发射的声波信号后，经过前置放大器滤波放大处理后，接至信号采集发射装置多通道数据采集卡，通过显示数据绘制指向性图，通过旋转机构，进而实现四波束ADCP换能器指向性的依次校准。
信号采集发射装置连接功率放大器，驱动应答器阵列中间的收发换能器发射具有一定频率的声波信号，四波束ADCP接收声波信号，记录四波束ADCP换能器的电压，相同位置放置已知灵敏度的标准ADCP换能器，记录电压相比较，计算出四波束ADCP换能器的灵敏度，通过旋转机构，进而实现四波束ADCP换能器灵敏度的依次校准。
信号采集发射装置连接功率放大器，驱动应答器阵列中间的收发换能器发射具有一定频率的声波信号，四波束ADCP换能器接收声波信号，测出四波束ADCP单个换能器的开路电压，收发换能器与四波束ADCP换能器之间的距离已知，可以计算处四波束ADCP换能器的发射源级，通过旋转机构，进而实现四波束ADCP换能器发射源级的依次校准。
本发明的有益效果在于：
1.该方法通过应答器阵列发射带有频偏和时延的声波信号理论值明确，校准方式精准；
2.采用信号采集发射装置发射和接收声波信号，可以实现单通道发射，多通道接收，；
3.采用小型普通水池作为校准环境，成本低，操作简单。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明中系统主要工作装置示意图；
图3是本发明中四波束ADCP换能器指向性校准原理图；
图4是本发明中四波束ADCP换能器发射源级校准原理图；
图中：1、固定框架，2、应答器阵列，3、四波束ADCP，4、水密箱，5、伺服电机，6、伺服电机控制器，7、RS232串口，8、PC机，9、显示器，10、小型普通水池，11、信号采集发射装置，12、功率放大器，13前置放大器。
具体实施方式
以下结合本发明的具体实施方式和附图对本发明的校准方法作进一步描述，从而将本发明的有益效果进一步明确。以谐振频率为300kHz的四波束ADCP为例，对其0.02m/s-1m/s的可测范围进行校准：
如图1所示为系统示意图。系统涉及固定框架1、应答器阵列2、四波束ADCP3、水密箱4、伺服电机5、伺服电机控制器6、RS232串口7、PC机8、显示器9、小型普通水池10、信号采集发射装置11、功率放大器12、前置放大器13，使用此系统完成对四波束ADCP3的校准。
如图2所示，四波束ADCP3发射300kHz的声波信号，同时四波束ADCP3发射声波的同步信号连接信号采集发射装置11。应答器阵列2接收到声波信号后，通过信号采集发射装置11连接功率放大器12，驱动应答器阵列2中间的收发换能器发射具有一定频偏和时延的声波信号，正对收发换能器的四波束ADCP3换能器接收声波信号，进一步处理得到一定深度水层的流速并输出，收发换能器多次发射不同频偏和时延的声波信号，通过输出流速、水层深度与理论值相比较，完成四波束换能器单个换能器的流速校准；通过旋转机构，进而实现四波束ADCP3换能器的依次校准，通过矢量合成完成对四波束ADCP3整体性能的校准。此方法的理论依据如下所示：
四波束ADCP3换能器接收回波频偏与流速的关系为 ,其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为回波频偏、
Figure 682701DEST_PATH_IMAGE003
为四波束ADCP3换能器谐振频率，大小为300kHz，V为流速、C为水中声速，由此可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
,时延和水层的对应关系为
Figure 524755DEST_PATH_IMAGE005
，其中D为水层深度、t为时延、C为水中声速。0.02m/s-1m/s的流速对应8Hz-400Hz的频偏，因此，当应答器阵列回发一定频偏和时延的声波信号时，四波束ADCP3换能器可以测出换能器声轴方向上的流速和水层深度。
如图2所示，四波束ADCP3单个换能器发射声波信号，应答器阵列2接收到四波束ADCP3单个换能器发射的声波信号后，经过前置放大器13滤波放大处理后，接至信号采集发射装置11数据采集卡的多个通道，通过显示器9显示其声波信号，通过显示数据，经计算处理后绘制指向性图，通过旋转机构，进而实现四波束ADCP3换能器指向性的依次校准。此方法的理论依据如下所示：
此方法是通过测一条线上多个点的电压，利用测点处的电压与四波束ADCP3换能器的距离成反比的原理对四波束ADCP3换能器指向性进行校准的。如图3所示，为对主瓣范围为10°（即
Figure DEST_PATH_IMAGE006
=5°）的四波束ADCP3换能器指向性进行校准，四波束ADCP3换能器到应答器阵列2的垂直距离d为2.2m，应答器阵列2长度设置为0.4m，四波束ADCP发射300Hz的声波信号，以应答器阵列上其中一个接收换能器为例，U
Figure 982281DEST_PATH_IMAGE007
/U
Figure DEST_PATH_IMAGE008
=d
Figure 858970DEST_PATH_IMAGE008
/d
Figure 681433DEST_PATH_IMAGE007
，可以求出U
Figure 948466DEST_PATH_IMAGE008
，同理可以求出距离四波束ADCP换能器相同距离、方向不同各点处的电压，画出指向性图。
如图2所示，信号采集发射装置11连接功率放大器12，驱动应答器阵 列2中间的收发换能器发射具有一定频率的声波信号，四波束ADCP3换能 器接收声波信号，经过前置放大器滤波放大，接至信号采集发射装置11，通 过显示器9显示电压，相同位置放置已知灵敏度的ADCP换能器，记录电压 相比较，可以计算处四波束ADCP3换能器的灵敏度，通过旋转机构，进而 实现四波束ADCP3换能器灵敏度的依次校准。此方法的理论依据如下所示：
M＝P/U,则UA/MA＝U0/M0，UA、MA为四波束ADCP3换能器电压、灵敏 度，U0、M0为标准换能器电压、灵敏度，可以求出MA。
信号采集发射装置11连接功率放大器12，驱动应答器阵列2中间的收发换能器发射具有一定频率的声波信号，四波束ADCP3换能器接收声波信号，测出四波束ADCP3单个换能器的开路电压，收发换能器与四波束ADCP3换能器之间的距离已知，可以计算处四波束ADCP3换能器的发射源级，通过旋转机构，进而实现四波束ADCP3换能器发射源级的依次校准。此方法的理论依据如图4所示：
L
Figure 850823DEST_PATH_IMAGE011
=20lgU
Figure DEST_PATH_IMAGE012
-M
Figure 556611DEST_PATH_IMAGE012
＋20lgd，其中L
Figure 891778DEST_PATH_IMAGE011
为四波束ADCP3换能器发射源级，U
Figure 683016DEST_PATH_IMAGE012
为应答器阵列2收发换能器两端电压，M
Figure 761831DEST_PATH_IMAGE012
为应答器阵列2收发换能器灵敏度，d为四波束ADCP3换能器与应答器阵列2收发换能器之间的距离。
以上所述，仅是本发明方法的优选实施方式，本发明方法的保护范围并不仅限于上述实施例，凡属于本发明方法思路下的技术方案均属于本发明方法的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明方法原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明方法的保护范围。

Claims (2)

1.一种新型四波束ADCP校准方法，是通过水下旋转机构使四波束ADCP（13）换能器依次对准应答器阵列（2），通过应答器阵列（2）收发换能器发射不同频偏和时延的声波信号，模拟不同水层的流速对四波束ADCP（3）进行校准，通过应答器阵列（2）对四波束ADCP（3）换能器指向性、灵敏度、发射源级进行校准。其特征在于：
四波束ADCP（3）发射一定频率的声波信号，同时四波束ADCP3发射声波的同步信号连接信号采集发射装置（11），应答器阵列（2）接收到声波信号后，通过信号采集发射装置11连接功率放大器（12），驱动应答器阵列（2）中间的收发换能器发射具有一定频偏和时延的声波信号，正对收发换能器的四波束ADCP（3）换能器接收声波信号，进一步处理得到一定深度水层的流速并输出，收发换能器多次发射不同频偏和时延的声波信号，通过输出流速、水层深度与理论值相比较，完成四波束换能器单个换能器的流速校准；通过旋转机构，可以实现四波束ADCP（3）换能器的依次校准，通过矢量合成完成对四波束ADCP（3）流速的校准。
2.根据权利要求1所述的一种新型四波束ADCP校准方法，其特征在于：
四波束ADCP（3）单个换能器发射声波信号，应答器阵列（2）接收到四波束ADCP（3）单个换能器发射的声波信号后，经过前置放大器（13）滤波放大处理后，接至信号采集发射装置（11）数据采集卡的多个通道，通过显示器（9）显示其声波信号，通过显示数据绘制指向性图，通过旋转机构，进而实现四波束ADCP（3）换能器指向性的依次校准。
信号采集发射装置（11）连接功率放大器（12），驱动应答器阵列（2）中间的收发换能器发射具有一定频率的声波信号，四波束ADCP（3）换能器接收声波信号，经过前置放大器（13）滤波放大，接至信号采集发射装置（11），通过显示器（9）显示电压，相同位置放置已知灵敏度的ADCP换能器，记录电压相比较，可以计算处四波束ADCP（3）换能器的灵敏度，通过旋转机构，进而实现四波束ADCP换能器灵敏度的依次校准。
信号采集发射装置11连接功率放大器（12），驱动应答器阵列（2）中间的收发换能器发射具有一定频率的声波信号，四波束ADCP（3）换能器接收声波信号，测出四波束ADCP（3）单个换能器的开路电压，收发换能器与四波束ADCP（3）换能器之间的距离已知，可以计算处四波束ADCP（3）换能器的发射源级，通过旋转机构，进而实现四波束ADCP（3）换能器发射源级的依次校准。
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