CN110824193A - 一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，该方法包括如下步骤：(1)选取两个非对称测量扇面，并设定标准层厚；(2)分时测量两个扇面的多波束分层径向多普勒；(3)在非对称的两个测量扇面内分别选取两个对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点；(4)多波束三维流速合成及坐标转换；(5)重复步骤(3)‑(4)获得多组空间三维流速测量点。(6)汇总并绘制出整个测量扇面的高分辨三维流速大小和方向分布。该方法用两次测量扇面内多组非对称四波束分层径向测量结果合成三维流速，并进行了三维流速的坐标转换，实现了空间流场的非均匀水流速度估计。

Description

一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，属于声纳信号处理技术领域。

背景技术

在水声工程中，流场的测验是其中的一个重要组成部分，声学测量具有快速、准确、便捷等优点，流场的声学特性研究不仅在舰船消隐、尾流自导鱼雷等军事领域需求迫切，而且在港口河道岸基冲刷，水库流量监测等民用领域的作用也日益突出，空间流场特性研究日益受到各科学与技术研究领域的重视。

条带测深声纳是多波束测深声纳的一种，广泛应用于海底测深领域。其原理是利用发射换能器基阵向海底发射宽覆盖扇区的声波，并由接收换能器基阵对海底回波进行窄波束接收，通过发射、接收波束相交在海底与船行方向垂直的条带区域，并通过波束形成来测量一整个条带的深度信息。多波束测深声纳已成为国内外海洋科学研究、海底资源开发、海洋工程建设等海洋活动中最主要的海洋调查勘测仪器之一。当前多波束测深声纳朝着超宽覆盖、高分辨、高精度、多功能一体化探测的趋势发展，在超宽覆盖基阵技术、海底散射信号精细信号处理技术、声学海底分类技术、多波束测深声纳现场校准与实验室精密评估技术等仍充满了巨大的挑战。

流速是重要的流场特性，流速的测量早期是采用驻点法的机械测量方式，随着声学技术的发展，人们开始采用声学的测量方法，早期的声学测量对方法就是用来测量两点之间的相对流速，随着多普勒流速剖面仪的出现(以下简称ADCP)，声学多普勒流速测量技术进入了一个全新的发展阶段，改变了以往测流时两点之间必须均匀分布的限制，实现了分层测流，大大提高流速测量的效果，配合GPS可以实现大范围的扫描测量。

但是ADCP的测流时假设流速必须有水平均匀性，即只能在深度方向对水流实现分层，这一假设只有在海洋的大范围流场情况下才能基本满足，对于中小型河流的流场难以成立。这是因为河流的宽度有限，常常是中心流速快而两边流速慢，另一方面是自然情况下河流固有的弯曲特性，流场会随着河流地形的变化而改变，此时流场的水平均匀性难以保证，流速测量受到很大的限制，难以精确估计水平流场变化。

解决水平流场不均匀的测量问题，传统的办法是采用物理建模的方法，对河流和流场进行建模分析，但是建模的方法只能解决自然流场的测量，且难以适应复杂多变的河流地形变化。除了自然流场之外，人类的航行活动，水中螺旋桨的机械搅动都会对影响流场特性，产生人为的非均匀流场。非均匀性包括两个方面，一是流速的不均匀性，二是散射体的散射强度的不均匀性，比如机械搅动带来的气泡。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，在测得多波束分层径向多普勒的基础上，在非对称的两个测量扇面内分别选取两个对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点，依次选取多组合成三维流速，实现了空间流场的非均匀水流速度估计。

技术方案：一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，包括如下步骤：

(1)选取两个非对称测量扇面，并设定标准层厚；

(2)分时测量两个扇面的多波束分层径向多普勒频偏；

(3)在非对称的两个测量扇面内分别选取两个对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点；

(4)多波束三维流速合成及坐标转换；

(5)重复过程3和过程4的步骤得到多组空间三维流速测量点；

(6)汇总并绘制出整个测量扇面的高分辨三维流速大小和方向分布。

在步骤(1)中，采用如下方法来选取非对称测量扇面及设定标准层厚：

假设两个测量扇面分别为A和B，其与垂直方向的夹角分别为β₁和β₂，β₁和β₂可以是任意的非对称分布，β₁和β₂的值决定了流场水流速度的空间分辨率，同时设定垂直方向与发射脉宽对应层厚为标准层厚Δz。

在步骤(2)中，采用如下方法分时测量两个扇面的多波束分层径向多普勒：

先控制多波束声纳的米尔斯交叉阵发射倾角为β₁的波束，正交接收并进行波束形成，接着按照标准层厚分层计算多普勒频偏，获得测量扇面A的多波束分层径向多普勒测量点{A(i,j),i＝1,2,...,Q,j＝1,2,...,N}，所述Q为波束形成的波束数目，所述N为时间窗分层的层数。

等测量扇面A的回波接收结束后，立刻调整多波束声纳的发射角度为β₂，再对测量扇面B正交接收并波束形成，按标准层厚计算多波束分层多普勒频偏测量点{B(i,j),i＝1,2,...,Q,j＝1,2,...,N}。

在步骤(3)中，采用如下方法在非对称的两个测量扇面内分别选取两个对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点：

在测量扇面A中选取同一深度单元层相邻波束的两个测量点A(m,n)和A(m,n+1)，其中1≤m≤Q,1≤n＜N，对应的在测量扇面B中选取同一层相邻的两个测量点B(m,n)和B(m,n+1)，组成一组四波束分层测量点，其中1≤m≤Q,1≤n＜N，为三维流速合成做准备。

在步骤(4)中，采用如下方法进行多波束三维流速合成及坐标转换：

假定在仪器坐标下的三维流速为V_b，在x、y、z三个方向的分量分别为V_bx、V_by、V_bz。用于合成的径向波束的径向流速列矢量为V_r，包括V_r1、V_r2、V_r3和V_r4分量。

通过坐标系的几何转换可以得到V_b与V_r之间的关系：

其中转换矩阵：

其中α₁、α₂是测扇面A中选择的两个测量点的波束角，α₃、α₄是测量扇面B中选择的两个测量点的波束角；β₁和β₂分别是测量扇面A和B与垂直方向的夹角。

于是利用径向流速V_r合成仪器坐标下的三维流速V_b可由公式计算：

V_b＝(A^TA)^-1A^TV_r

接着将仪器坐标转化为大地坐标：定义大地坐标系D，原点与基阵的几何中心一致，三个坐标轴x_d、y_d与z_d分别对应于地理的正北、正东和正下方向。姿态传感器记录了航向角α、纵摇β和横摇角θ。

V_d＝A·B·C·V_b

其中转换矩阵分别为：

在步骤(5)中，选取不同波束分层测量点重复步骤(3)-(4)获得多组空间三维流速测量点，直至遍历完所有的层数和波束数，最终共可得N×(Q-1)组分层波束测量点，并将其合成为三维流速。

在步骤(6)中，采用如下的方法汇总并绘制出整个测量扇面的高分辨三维流速大小和方向分布：

将N×(Q-1)个三维流速测量点投影到水平平面，分别计算三维流速在水平平面的流速大小和方向，并据此绘制扇面流速分布图。

有益效果：本发明公开的基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，相比于传统的多普勒三维流速测量具有如下优点：(1)实现了非对称测量，用于合成三维流速的四波束可以任意选取；(2)同一深度单元层可以利用多波束分层合成多个三维流速测量点，实现水平非均匀三维流场的测量。(3)具有更高的空间分辨率和更高的测量效率。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为测量扇面选择及分层示意图；

图3为多波束下三维流速合成示意图；

图4为三维流场的水平分布及测量误差；

图5为水平流速方向分布图。

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。

基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，用于在测得多波束分层径向多普勒的基础上进一步合成三维流速，该方法利用两次非对称的测量扇面内对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点来合成三维流速，通过两两相邻的多组测量实现空间非均匀流场的三维流速分布测量。

测量采用多波束高分辨径向流速测量方法，米尔斯交叉阵的接收均匀线阵的阵元个数M为64，阵元间距d为发射信号的半波长。发射信号采用四次重复七位巴克码的形式，单个码元的脉冲宽度T_p为40μs，发射脉冲总长度T为1.12ms，载波频率选择300kHz，采样频率为3MHz，水中的声速c为1500m/s。波束的单边开角为60°，接收波束形成时的间隔角为1.5°，波束个数Q为81。假定水深环境为10m，从上到下取20层深度单元，三维流速的分布符合由浅入深的线性减小。具体的方法步骤如下：

在第(1)步中，选取的两个测量扇面A和B与垂直方向的夹角分别为30°和35°，并且设定垂直方向与发射脉宽对应层厚为标准层厚Δz，大小为0.84m。

在第(2)步中，分时测量两个扇面的多波束分层径向多普勒。如图2的测量扇面选择及分层示意图，先控制多波束声纳的米尔斯交叉阵发射倾角为35°的波束，正交接收并进行波束形成，接着按照标准层厚分层计算多普勒频偏；待接收完毕后立即调整多波束声纳的发射角度为30°，同样的正交接收后计算多普勒频偏。

在步骤(3)中，如图3多波束下三维流速合成示意图，在测量扇面A中选取某一深度单元层相邻波束的两个测量点A(m,n)和A(m,n+1)，其中1≤m≤81,1≤n＜20，对应的在测量扇面B中选取同一层相邻的两个测量点B(m,n)和B(m,n+1)，组成一组四波束分层测量点，为三维流速合成做准备。

在步骤(4)中，利用步骤三种选取的一组四波束分层测量点合成三维流速测量点，

利用径向流速V_r合成仪器坐标下的三维流速V_b的公式：

V_b＝(A^TA)^-1A^TV_r

具体的，其中α₁、α₂是测扇面A中选择的两个测量点的波束角，α₃、α₄是测量扇面B中选择的两个测量点的波束角；β₁和β₂分别是测量扇面A和B与垂直方向的夹角。并且有α₁＝α₃，α₂＝α₄。

接着，通过航向角α、纵摇β和横摇角θ实现仪器坐标到大地坐标的转化。

在步骤(5)中，依次选取所有的分层中两两相邻的波束测量点重复步骤(3)-(4)的过程，获得多组空间三维流速测量点：

{A(m,n),A(m,n+1),B(m,n),B(m,n+1),1≤m≤81,1≤n＜20}

在步骤(6)中，汇总并绘制出整个测量扇面的高分辨三维流速大小和方向分布，将20×(81-1)个三维流速测量点投影到水平平面，分别计算三维流速在水平平面的流速大小和方向，并据此绘制扇面流速分布图。

测量结果如图4和图5，图4是三维流场的水平分布及测量误差图，可以看出除去一些较大测量误差的异常值红点，其余的测量结果误差大多在0附近分布，符合真实的测量结果。

同样的，图5是水平流速方向分布图可以看出，由于波束的展宽，测量点下层比上层密集、中间比两边密集。虽然测量的方向存在左右偏移，但大体的趋势还是符合真实流场的分布，且偏移大多只是小角度偏移，基本没有出现超过45°的大角度偏差。

Claims (8)

1.一种基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)选取两个非对称测量扇面，并设定标准层厚；

(2)分时测量两个扇面的多波束分层径向多普勒频偏；

(3)在非对称的两个测量扇面内分别选取两个对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点；

(4)多波束三维流速合成及坐标转换；

(5)重复过程3和过程4的步骤得到多组空间三维流速测量点；

(6)汇总并绘制出整个测量扇面的高分辨三维流速大小和方向分布。

2.根据权利要求1所述的基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，其特征在于，在步骤(1)中，采用如下方法来选取非对称测量扇面及设定标准层厚：

假设两个测量扇面分别为A和B，其与垂直方向的夹角分别为β₁和β₂，β₁和β₂可以是任意的非对称分布，同时设定垂直方向与发射脉宽对应层厚为标准层厚Δz。

3.根据权利要求1所述的基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，其特征在于，在步骤(2)中，采用如下方法分时测量两个扇面的多波束分层径向多普勒：

先控制多波束声纳的米尔斯交叉阵发射倾角为β₁的波束，正交接收并进行波束形成，接着按照标准层厚分层计算多普勒频偏，获得测量扇面A的多波束分层径向多普勒测量点{A(i,j),i＝1,2,...,Q,j＝1,2,...,N}，所述Q为波束形成的波束数目，所述N为时间窗分层的层数；

等测量扇面A的回波接收结束后，立刻调整多波束声纳的发射角度为β₂，再对测量扇面B正交接收并波束形成，按标准层厚计算多波束分层多普勒频偏测量点{B(i,j),i＝1,2,...,Q,j＝1,2,...,N}。

4.根据权利要求1所述的基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，其特征在于，在步骤(3)中，采用如下方法在非对称的两个测量扇面内分别选取两个对应的波束分层测量点，组成一组四波束分层测量点：

在测量扇面A中选取同一深度单元层相邻波束的两个测量点A(m,n)和A(m,n+1)，其中1≤m≤Q,1≤n＜N，对应的在测量扇面B中选取同一层相邻的两个测量点B(m,n)和B(m,n+1)，组成一组四波束分层测量点，其中1≤m≤Q,1≤n＜N，为三维流速合成做准备。

5.根据权利要求1所述的基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，其特征在于，在步骤(4)中，采用如下方法进行多波束三维流速合成及坐标转换：

假定在仪器坐标下的三维流速为V_b，在x、y、z三个方向的分量分别为V_bx、V_by、V_bz；用于合成的径向波束的径向流速列矢量为V_r，包括V_r1、V_r2、V_r3和V_r4分量；

通过坐标系的几何转换可以得到V_b与V_r之间的关系：

其中转换矩阵：

其中α₁、α₂是测扇面A中选择的两个测量点的波束角，α₃、α₄是测量扇面B中选择的两个测量点的波束角；β₁和β₂分别是测量扇面A和B与垂直方向的夹角；

于是利用径向流速V_r合成仪器坐标下的三维流速V_b可由公式计算：

V_b＝(A^TA)^-1A^TV_r

接着将仪器坐标转化为大地坐标：定义大地坐标系D，原点与基阵的几何中心一致，三个坐标轴x_d、y_d与z_d分别对应于地理的正北、正东和正下方向。姿态传感器记录了航向角α、纵摇β和横摇角θ；

V_d＝A·B·C·V_b

其中转换矩阵分别为：

6.根据权利要求1所述的基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，其特征在于，在步骤(5)中，选取不同波束分层测量点重复步骤(3)-(4)获得多组空间三维流速测量点，直至遍历完所有的层数和波束数，最终共可得N×(Q-1)组分层波束测量点，并将其合成为三维流速。

7.根据权利要1所述的基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，其特征在于，在步骤(6)中，采用如下的方法汇总并绘制出整个测量扇面的高分辨三维流速大小和方向分布：

将N×(Q-1)个三维流速测量点投影到水平平面，分别计算三维流速在水平平面的流速大小和方向，并据此绘制扇面流速分布图。

8.根据权利要2所述的基于多波束径向流速测量的非均匀水流速度估计方法，其特征在于，选取的β₁和β₂具有较小的差值。

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