CN114200161B - 一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法 - Google Patents

一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法，其包括：将超声换能器发射功率分为m档，每档发射功率均连续测量n次流速和声强剖面，计算每一发射功率下的逐层流速标准差和平均声强，计算每一发射功率下的平均声强极大值单元位置和个数，根据第一个声强极大值点所处水层单元和换能器波束配置角度计算剖面有效测量单元范围，测量所得有效测量单元区间内流速标准差矩阵均值最小且声强极大值数目为1或2时的超声发射功率值为当前水体环境下的最佳发射功率。本发明能够实现仪器对被测量水体环境的自动感知并智能调整发射功率，改善超声多普勒流速剖面仪因环境变化和人为设置失误带来的测量误差。

Description

一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法
技术领域
本发明涉及多普勒流速剖面仪技术领域，更具体地说，是涉及一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法。
背景技术
声学多普勒流速剖面仪ADCP是基于声学多普勒频移原理设计的一种测量水体流速、流向的设备。测量时，声学传感器向水体发射声波，水底和水体悬浮物质反射和散射声波，传感器接收到返回的反射和散射回波信号，基于多普勒频移效应原理获得水体流速信息。在与人类活动密集的河口海岸区域，声学多普勒流速测量应用更加广泛，但河口区域咸淡水交汇，河流与海洋动力此消彼长，水动力泥沙过程复杂多变。如在长江河口潮差可达4m，滩槽间水深从不足1m变化至20m，水体悬沙浓度的时空变化亦较大，0.1g/l量级至10g/l量级均可发生。
常见用于流速测量的超声频率一般介于150kHz～6MHz之间，不同频率超声在不同含沙水体中的衰减传播特性有所差异。当超声传感器发射功率过大，声波能量在一次沿程传播过程中衰减有限时，声波将在水面或水底形成二次甚至多次反射，超声传感器检波信号因多重检波混杂导致测量误差陡增；当超声传感器发射功率不足时，声波能量因沿程衰减使得传感器接收信号强度过低，相应地可导致仪器有效剖面量程显著减小。
目前，超声流速剖面仪产品的超声发射功率普遍采用定常设定模式，仪器操作系统直接使用出厂预设置发射功率或用户设定的最大水深预估定常发射功率控制换能器发射超声脉冲，这不可避免地因人为估计与实际测量环境偏差过大或测量环境多变(如在陡深河槽走航测量)，导致超声发射换能器的发射功率过高使得多重回波过重，或发射功率过低使得回波信号强度不足，严重干扰正常检波后处理，进而显著降低测量精度。
由以上叙述可知，设计实现一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率自适应预测方法，基于该方法自动动态控制超声换能器以最佳发射功率测量，可以在仪器端实现对被测量水体环境的自动感知和智能调整，显著改善因被测量水环境变化或人为设置失误引入的流速测量误差，提高超声多普勒流速剖面测量精度。
发明内容
本发明目的在于提供一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法，实现在仪器端对被测量水体环境的自动感知和智能调整，自动动态控制超声换能器以最佳发射功率测量，从而改善因被测量水环境变化或人为设置失误引入的流速测量误差，提高超声多普勒流速剖面测量精度。
本发明提出一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率自适应预测方法。包括以下步骤：
步骤S1：构建一超声换能器发射功率可编程调节的超声多普勒流速剖面测量装置，并设置其超声换能器发射功率PWR由大到小固定为m档，第i档发射功率标记为PWRi，i＝1～m；
步骤S2：设置测量分层单元数为p，p为大于0的整数，单元编号自传感器位置开始依次为1,2,…,p；分层单元数p根据预估最大水深MaxDepth、近端盲区Blanking和分层单元厚度CellWidth，按照下式设置：
Figure BDA0003311709730000021
式中：round为四舍五入取整函数。
步骤S3：设置超声换能器当前发射功率为PWRi；
步骤S4：测量PWRi功率下第j＝1:p剖面单元的流速，测次计数为k，共连续测量n次，得p*n大小的流速数据序列Vel(j＝1:p,k＝1:n)；
步骤S5：测量PWRi功率下第j＝1:p剖面单元的声强，测次计数为k，共连续测量n次，得p*n大小的声强数据序列Esn(j＝1:p,k＝1:n)；
步骤S6：将步骤S5所得声强数据序列逐层平均，得1*p大小的PWRi功率下的平均声强数据序列MeanEsn(j＝1:p)：
Figure BDA0003311709730000022
步骤S7：基于步骤S6所得平均声强数据序列，检测PWRi功率下的所有平均声强极大值位置Peak(i,l∈[0,p-3])，并统计所得极大值的总个数定义为PWRi功率下的平均声强极大值个数PeakNumi；
Figure BDA0003311709730000023
式中，MeanEsn′为平均声强数据序列MeanEsn(j＝1:p)的一阶导数，MeanEsn″为平均声强数据序列MeanEsn(j＝1:p)的二阶导数。
步骤S8：定义第一个极大值点Peak(i,k＝1)所处水层单元为远端界面(水、气/水、泥)位置；
步骤S9：定义剖面上的有效测流首单元序号Cellstart为：近传感器端第1单元；
步骤S10：计算剖面上的有效测流末单元序号Cellend：
Cellend＝floor(Peak(i,l＝1)×cos(θ))
式中，θ为换能器波束配置角度，等于压电元件安装法向与中轴夹角，floor为向下取整函数，cos为余弦函数。
步骤S11：获得PWRi功率下的剖面上有效测流单元范围集合[Cellstart，Cellend]，Cellstart为近端有效测流首单元序号，Cellend为远端有效测流末单元序号；
步骤S12：根据步骤S11所得有效测流单元范围集合，将步骤S4所得有效测流单元以外单元的流速数据标记为无效；
步骤S13：计算PWRi功率下，每一有效单元的n次测量所得水跟踪流速值的标准差StdVel，计算结果为1*p矩阵，无效单元取值为+Inf，计算方法如下：
Figure BDA0003311709730000031
式中，Wel(j,k)为PWRi功率下的第j分层单元、第k次测量所得水跟踪流速。
步骤S14：计算PWRi功率下，步骤S13所得流速标准差矩阵的均值MeanStdVel(i)，计算方法如下：
Figure BDA0003311709730000032
步骤S15：调高超声发射功率1档，重复执行步骤S4～步骤S14，直至完成所有共m档发射功率PWRi＝1:m的测量作业。最终获得一一对应的3组1*m大小数据序列，一组为发射功率PWRi＝1:m，一组为流速标准差均值MeanStdVel(i＝1:m)，一组为平均声强极大值点个数PeakNumi＝1:m。
步骤S16：基于步骤S15所得数据序列，按照下式约束计算最佳发射功率PWRBest，即：测量所得流速标准差矩阵均值MeanStdVel(i)最小且声强极大值数目为1或2时的超声发射功率为最佳发射功率。
Figure BDA0003311709730000033
式中，MeanStdVel(Best)和PeakNumBest分别为最佳发射功率下的流速标准差和声强极大值数目，min为求取最小值函数。
本发明所提供的超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法，普适于超声换能器发射功率可编程调节设计的超声多普勒流速剖面测量装置。通过在超声多普勒流速剖面测量装置的软件操作系统中应用本发明所提供的方法，即可实现自适应被测量水体环境，自动动态调整超声换能器发射功率至与当前被测量水体环境相匹配的最佳发射功率，从而提高测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例的步骤S7单次检测示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：
任意的超声换能器发射功率可编程调节的超声多普勒流速剖面测量装置，均可适用本发明所提供的超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法。
实施例
参阅图1，图1给出了一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法实施例的流程示意图。如图1所示本实施例所提供的方法包含下述步骤：
步骤S1：构建一超声换能器发射功率可编程调节的超声多普勒流速剖面测量装置，并设置其超声发射功率由大到小等分为10档，PWRi＝(1,2,…10)；
步骤S2：预估拟测量环境的最大水深MaxDepth为20m，预设仪器近端盲区Blanking为0.5m，预设测流单元厚度CellWidth为0.5m，分层单元数p按照下式(1)计算应等于123，设置测量分层单元数p为123，相应剖面分层单元编号自传感器位置开始依次为1,2,…,123。
Figure BDA0003311709730000041
式中：round为四舍五入取整函数。
步骤S3：设置超声换能器当前发射功率为PWRi；
步骤S4：测量PWRi功率下的流速剖面，测次计数为k，共连续测量20次，得123*20大小的流速数据序列Vel(j＝1:123,k＝1:20)；
步骤S5：测量PWRi功率下的声强剖面，测次计数为k，共连续测量20次，得123*20大小的声强数据序列Esn(j＝1:123,k＝1:20)；
步骤S6：将步骤S5所得声强数据序列按照下式(2)逐层平均，得1*123大小的PWRi功率下的平均声强数据序列MeanEsn(j＝1:123)：
Figure BDA0003311709730000042
步骤S7：基于步骤S6所得平均声强数据序列，按照式(3)检测PWRi功率下的所有平均声强极大值位置信息Peak(i,l∈[0,120])，并统计PWRi功率下的平均声强极大值个数PeakNumi，单次检测如图2所示：
Figure BDA0003311709730000051
式中，MeanEsn′为平均声强数据序列MeanEsn(j＝1:123)的一阶导数，MeanEsn″为平均声强数据序列MeanEsn(j＝1:123)的二阶导数。
步骤S8：定义第一个极大值位置Peak(i,k＝1)单元为远端界面(水、气/水、泥)位置；
步骤S9：定义剖面上的有效测流首单元序号Cellstart为：近传感器端第1单元；
步骤S10：换能器波束配置角θ为压电元件安装法向与中轴夹角，是固有常数，本实施例中取值20°，按照式(4)计算剖面上的有效测流末单元序号Cellend：
Cellend＝floor(Peak(i,l＝1)×cos(20°)) (4)
式中，floor为向下取整函数，cos为余弦函数。
步骤S11：获得PWRi功率下的剖面上有效测流单元范围集合：[Cellstart，Cellend]；
步骤S12：根据步骤S11所得有效测流单元，将步骤S4所得有效测流单元以外单元的流速数据标记为无效NaN；
步骤S13：根据式(5)计算PWRi功率下，每一有效单元的20次测量所得流速值的标准差StdVel，计算结果为1*123矩阵，无效单元取值为+Inf；
Figure BDA0003311709730000052
式中，Wel(j,k)为PWRi功率下的第j分层单元、第k次测量所得水跟踪流速。
步骤S14：根据式(6)计算PWRi功率下，步骤S13所得流速标准差序列的均值MeanStdVel(i)，计算方法如下：
Figure BDA0003311709730000053
步骤S15：调高超声发射功率1档，重复执行步骤S4～步骤S14，直至完成所有10档发射功率(PWR1，PWR2，…，PWR10)的测量作业。最终获得一一对应的3组1*10大小数据序列：[发射功率(PWR)、流速标准差均值(MeanStdVel)和剖面极大值点个数(PeakNum)]。
步骤S16：基于步骤S15所得数据序列，根据式(7)计算得与当前水环境匹配的最佳发射功率PWRBest。即：测量所得流速标准差矩阵均值MeanStdVel(i)最小且声强极大值数目为1或2时的超声发射功率为最佳发射功率。
Figure BDA0003311709730000054
式中，MeanStdVel(Best)和PeakNumBest分别为最佳发射功率下的流速标准差和声强极大值数目，min为求取最小值函数。
计算所得最佳发射功率即为当前水环境内，适用于本实施例所使用的超声多普勒流速剖面测量装置的换能器最佳发射功率。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种超声多普勒流速剖面仪最佳发射功率的自适应预测方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤S1：构建一超声换能器发射功率可编程调节的超声多普勒流速剖面测量装置，并设置其超声换能器发射功率PWR由大到小固定为m档，第i档发射功率标记为PWRi，i＝1～m；
步骤S2：设置测量分层单元数为p，p为大于0的整数，单元编号自传感器位置开始依次为1,2,…,p；分层单元数p根据预估最大水深MaxDepth、近端盲区Blanking和分层单元厚度CellWidth，按照下式设置：
Figure FDA0003311709720000011
式中：round为四舍五入取整函数；
步骤S3：设置超声换能器当前发射功率为PWRi；
步骤S4：测量PWRi功率下第j＝1:p剖面单元的流速，测次计数为k，共连续测量n次，得p*n大小的流速数据序列Vel(j＝1:p,k＝1:n)；
步骤S5：测量PWRi功率下第j＝1:p剖面单元的声强，测次计数为k，共连续测量n次，得p*n大小的声强数据序列Esn(j＝1:p,k＝1:n)；
步骤S6：将步骤S5所得声强数据序列逐单元平均，得1*p大小的PWRi功率下的平均声强数据序列MeanEsn(j＝1:p)：
Figure FDA0003311709720000012
步骤S7：基于步骤S6所得平均声强数据序列，检测PWRi功率下的所有平均声强极大值位置Peak(i,1∈[0,p-3])，并统计所得极大值的总个数定义为PWRi功率下的平均声强极大值个数PeakNumi；
Figure FDA0003311709720000013
式中，MeanEsn′为平均声强数据序列MeanEsn(j＝1:p)的一阶导数，MeanEsn″为平均声强数据序列MeanEsn(j＝1:p)的二阶导数；
步骤S8：定义第一个极大值位置Peak(i,k＝1)所处水层单元为远端界面位置；
步骤S9：定义剖面上的有效测流首单元序号Cellstart为：近传感器端第1单元；
步骤S10：计算剖面上的有效测流末单元序号Cellend：
Cellend＝floor(Peak(i,l＝1)×cos(θ))
式中，θ为换能器波束配置角度，floor为向下取整函数，cos为余弦函数；
步骤S11：获得PWRi功率下的剖面上有效测流单元范围集合[Cellstart，Cellend]，Cellstart为近端有效测流首单元序号，Cellend为远端有效测流末单元序号；
步骤S12：根据步骤S11所得有效测流单元范围集合，将步骤S4所得有效测流单元以外单元的流速数据标记为无效；
步骤S13：计算PWRi功率下，每一有效单元的n次测量所得水跟踪流速值的标准差StdVel，计算结果为1*p矩阵，无效单元取值为+Inf，计算方法如下：
Figure FDA0003311709720000021
式中，Wel(j,k)为PWRi功率下的第j分层单元、第k次测量所得水跟踪流速；
步骤S14：计算PWRi功率下，步骤S13所得流速标准差矩阵的均值MeanStdVel(i)，计算方法如下：
Figure FDA0003311709720000022
步骤S15：调高超声发射功率1档，重复执行步骤S4～步骤S14，直至完成所有共m档发射功率PWRi＝1:m的测量作业；最终获得一一对应的3组1*m大小数据序列，一组为发射功率PWRi＝1:m，一组为流速标准差均值MeanStdVel(i＝1:m)，一组为平均声强极大值点个数PeakNumi＝1:m；
步骤S16：基于步骤S15所得数据序列，按照下式约束计算最佳发射功率PWRBest，即：测量所得流速标准差矩阵均值MeanStdVel(i)最小且声强极大值数目为1或2时的超声发射功率为最佳发射功率：
Figure FDA0003311709720000023
式中，MeanStdVe1(Best)和PeakNumBest分别为最佳发射功率下的流速标准差和声强极大值数目，min为求取最小值函数。
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