CN116819538A - 基于dsp的依据相关性改变时延的测流方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法和装置，包括：确定自相关性参数阈值和发射信号长度；获取回波数据并分段；设定初始时延；(1)计算第i段回波的自相关性参数；(2)若第i段回波的自相关性参数大于等于设定阈值，则时延增加，若时延大于发射信号长度的一半，则转至(3)，若小于等于，则转至(1)；若小于设定阈值，则转至(3)；(3)依据确定时延计算流速；如果还有分段信号未处理完成，i加1，返回(1)，否则结束。该方法通过判断各段回波的自相关性参数与设定阈值的大小来确定复自相关时延，从而获得可靠性和稳定性较高的测流结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法和装置，属于声纳信号处理技术领域。
背景技术
地球上海洋资源十分丰富，对海洋的探索以及资源的开发对我们有着十分重要的意义。对海洋资源的探索有很多方法和手段，其中，测量海洋中不同时间、不同深度下水流的变化信息是一项极其重要的方法，该方法对于海水中污染物的控制、海流能量的研究、海水的稀释净化、气象研究、舰艇研究等意义重大。声学多普勒测流仪(ADCP)就是一种可以在水下利用声波测量水体流速等特性的仪器，相对于其它水流测量仪器而言，具有不干扰水流场、测量速度快、测量参数多和测量成本低等诸多优势，因此得到越来越广泛的应用。ADCP的核心是信号处理板，处理板性能越好，测流效果越好。
ADCP通过处理水中散射体反射的回波信号来测得其多普勒频率，再根据多普勒频偏原理，解算出水流和船的相对速度。频率估计算法主要分为频域估计和时域估计，频域估计算法由于计算复杂且耗时长，并不适应ADCP快速灵活的测量要求。因此基于时域相位思想的复自相关算法成为流速估计的一个合适选择。复自相关算法的主要思想是确定两段回波信号之间的幅值和相位关系，从而确定两段回波信号之间的频率。复自相关算法适合于不同信号下的流速的测量，因而是应用较为广泛的方法。然而，测流精度受水下环境影响较大，散射体运动，船速，风浪等引起的横摇、纵摇变化等都会造成测流不精确。
发明内容
发明目的：针对现有的测流方法受环境影响较大而造成的测速不精确问题，本发明公开了一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法和装置，该方法将利用DSP芯片的快速、高精度浮点数运算和双核间快速共享内存通信的优势，预先设定好自相关阈值和初始时延，通过对实时回波波形进行自相关比值计算和阈值判断确定最佳复自相关时延并计算最终流速，实现了依据相关性改变时延、高速、高精度的流速。
技术方案：一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法，包括如下步骤：
步骤1，确定自相关阈值和发射信号长度，作为后续判断的标准；
步骤2，获取回波数据，其中回波数据为I、Q两路信号；
步骤3，回波数据分段，对各分段回波进行处理；
步骤4，设定初始时延，初始时延值τ＝Lm，Lm为单次重复发射信号长度；
步骤5，计算第i段回波的自相关性参数Li，采用复自相关算法获取第i段回波的自相关性参数Li；
步骤6，比较第i段回波的自相关性参数Li与设定自相关阈值的大小，若Li大于等于设定自相关阈值，则转至步骤7，若自相关性参数Li小于设定自相关阈值，则转至步骤9；
步骤7，时延增加，时延以单次重复发射信号长度Lm为单位递增；
步骤8，判断时延与发射信号长度一半的大小，若时延大于发射信号长度的一半，则转至步骤9，若时延小于等于发射信号长度的一半，则转至步骤5；
步骤9，依据确定时延计算流速，采用复自相关算法计算流速；
步骤10，判断是否所有分段信号均处理完成，若是，则结束，否则，i＝i+1，返回步骤5。
所述回波数据分段中，对回波信号按照发射信号长度进行分段，发射信号长度由重复次数repeat和单次重复发射信号长度Lm确定，发射信号长度＝repeat×Lm。
所述计算第i段回波的自相关性参数Li，采用复自相关算法获取第i段回波的自相关性参数Li，包括：
计算第i段回波的I、Q路信号的能量值power1、power2，按照初始时延值τ＝Lm，分别计算第i段回波的I、Q路信号的自相关值corr1、corr2和I、Q路信号的互相关值corr3以及Q、I路信号的互相关值corr4，记自相关性参数Li的实部为re＝corr1+corr2，虚部为im＝corr4-corr3，则自相关性参数Li为
所述比较第i段回波的自相关性参数Li与设定阈值的大小，若Li小于设定阈值，或Li大于等于设定阈值、时延大于发射信号长度一半，则计算分段信号流速。
依据确定时延计算流速，采用复自相关算法计算流速，其流速计算公式为：其中vi为分段信号流速，fs为采样频率。
判断是否所有分段信号均处理完成，若是，则结束，否则计算下一段信号流速。
一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流装置，包括：
第一单元，确定自相关阈值和发射信号长度；
第二单元，获取回波数据，其中回波数据为I、Q两路信号；
第三单元，回波数据分段，对各分段回波进行处理；
第四单元，设定初始时延，初始时延值τ＝Lm，Lm为单次重复发射信号长度；
计算处理单元，执行如下流程：
(1)计算第i段回波的自相关性参数Li；
(2)比较第i段回波的自相关性参数Li与设定自相关阈值的大小，若Li大于等于设定自相关阈值，则转至(3)，若自相关性参数Li小于设定自相关阈值，则转至(5)；
(3)时延增加，时延以单次重复发射信号长度Lm为单位递增；
(4)判断时延与发射信号长度一半的大小，若时延大于发射信号长度的一半，则转至(5)，若时延小于等于发射信号长度的一半，则转至(1)；
(5)依据确定时延计算流速，采用复自相关算法计算流速；
(6)判断是否所有分段信号均处理完成，若是，则结束，否则，i＝i+1，返回(1)。
所述装置的实现过程与方法相同，不再赘述。
一种计算机设备，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行上述计算机程序时实现如上所述的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法。
一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有执行如上所述的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法的计算机程序。
有益效果：本发提供的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法和装置，相比于传统的测流方法具有如下优点：(1)DSP芯片在高速主频下每秒可进行百万次浮点运算，运算速度快、计算精度高；(2)本发明能自适应调节参数，进而取得更好的测流效果。
附图说明
图1为本发明实施例方法的整体流程示意图；
图2为采用固定时延计算流速结果图；
图3为本发明实施例自适应改变时延计算流速结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，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。
实施例：
本发明实例公开的一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法，该方法将利用DSP芯片的快速、高精度浮点数运算的优势，预先设定好自相关阈值和初始时延，通过对实时回波波形进行自相关比值计算和阈值判断确定最佳复自相关时延并计算最终流速，实现了依据相关性改变时延、高速、高精度的流速。
本发明实例公开的一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法，在四波束的Janus结构换能器接收信号和FPGA采样和下变频处理后的基础上进行，测流系统的换能器发射相位编码信号，水中声速c＝1500m/s，水流速度设定为-0.4m/s，以发射信号频率fc＝287kHz对回波信号进行混频，滤除高频分量后，以下变频采样率fs＝200kHz对低频信号进行采样，采样结果送往本发明实施例所采用的DSP进行回波计算处理。如图1所示，方法具体流程如下：
在步骤1中，确定自相关性参数阈值和发射信号长度。发射信号长度由重复次数repeat乘以单次重复发射信号长度Lm得到，重复次数repeat和单次重复发射信号长度Lm通过上位机下发的参数得到。本例中重复次数取6，单次重复发射信号长度取0.245ms，对应单次重复发射信号的采样点数为Lm＝49，则总发射信号长度为1.47ms，对应发射信号总采样点数为Ls＝6×49＝294，自相关性参数阈值设定为0.5。
在步骤2中，获取回波数据，其中回波数据为I、Q两路信号。回波数据经Janus结构换能器接收和FPGA采样和下变频处理后，由FPGA传输给DSP。I、Q路信号分别为回波采样信号与本振余弦、正弦信号相乘后经下变频处理后的信号，本振信号频率为287kHz，下变频采样频率为200kHz。
在步骤3中，回波数据分段，按照发射信号长度对回波信号进行分段，本例中回波信号长度为50ms，回波总采样点数为L＝10000，发射信号长度为1.47ms，共分为34段。
在步骤4中，设定初始时延，初始时延值τ＝Lm，即初始时延为单次重复发射信号长度。
在步骤5中，计算第i段回波的自相关性参数Li，采用复自相关算法获取第i段回波的自相关性参数Li，计算第i段回波的I、Q路信号的能量值power1、power2
I(j)、Q(j)分别表示I、Q路信号的采样值。
按照初始时延值τ＝Lm，分别计算第i段回波的I、Q路信号的自相关值corr1、corr2和I、Q路信号的互相关值corr3以及Q、I路信号的互相关值corr4
记自相关性参数Li的实部为re＝corr1+corr2，虚部为im＝corr4-corr3，则自相关性参数Li为
在步骤6中，比较第i段回波的自相关性参数Li与设定自相关阈值0.5的大小，若Li≥0.5，则执行步骤7，若Li＜0.5，则执行步骤9；
在步骤7中，时延增加，时延以Lm为单位递增，即τ＝τ+Lm；
在执行完步骤7后，还包括步骤8：判断时延与的大小，若/>则执行步骤9，若则转至步骤5；
在步骤9中，依据确定时延τ计算流速，采用复自相关算法计算第i段回波对应的流速。复自相关算法是通过估计时延差为τ的两段回波之间的相位差φ(i)，利用公式确定信号的多普勒频偏fd，再结合速度转化公式得到流速vi，fc表示发射信号频率。第i段回波对应的时延差为τ，结合步骤5中求出的自相关性参数Li的实部和虚部，计算出相位差多普勒频偏/>对应的流速为/>
在执行完步骤9后，需判断是否所有分段信号均处理完成，若是，则结束，否则，i＝i+1，返回步骤5，计算下一段回波的流速。图2为采用固定时延对具有固定流速值的回波进行流速计算结果，图3为采用本发明实施例自适应改变时延对流速进行计算的结果。对比图2和图3可以看出，图3计算的测流结果在不同采样时间下的流速值差别变小，整体流速计算值趋于稳定，测速方差变小，测速精度高。
一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流装置，包括：
第一单元，确定自相关阈值和发射信号长度；
第二单元，获取回波数据，其中回波数据为I、Q两路信号；
第三单元，回波数据分段，对各分段回波进行处理；
第四单元，设定初始时延，初始时延值τ＝Lm，Lm为单次重复发射信号长度；
计算处理单元，执行如下流程：
(1)计算第i段回波的自相关性参数Li；
(2)比较第i段回波的自相关性参数Li与设定自相关阈值的大小，若Li大于等于设定自相关阈值，则转至(3)，若自相关性参数Li小于设定自相关阈值，则转至(5)；
(3)时延增加，时延以单次重复发射信号长度Lm为单位递增；
(4)判断时延与发射信号长度一半的大小，若时延大于发射信号长度的一半，则转至(5)，若时延小于等于发射信号长度的一半，则转至(1)；
(5)依据确定时延计算流速，采用复自相关算法计算流速；
(6)判断是否所有分段信号均处理完成，若是，则结束，否则，i＝i+1，返回(1)。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法各步骤或基于DSP的依据相关性改变时延的测流装置各单元可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。
Claims (8)
1.一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，确定自相关阈值和发射信号长度；
步骤2，获取回波数据，其中回波数据为I、Q两路信号；
步骤3，回波数据分段，对各分段回波进行处理；
步骤4，设定初始时延，初始时延值τ＝Lm，Lm为单次重复发射信号长度；
步骤5，计算第i段回波的自相关性参数Li；
步骤6，比较第i段回波的自相关性参数Li与设定自相关阈值的大小，若Li大于等于设定自相关阈值，则转至步骤7，若自相关性参数Li小于设定自相关阈值，则转至步骤9；
步骤7，时延增加，时延以单次重复发射信号长度Lm为单位递增；
步骤8，判断时延与发射信号长度一半的大小，若时延大于发射信号长度的一半，则转至步骤9，若时延小于等于发射信号长度的一半，则转至步骤5；
步骤9，依据确定时延计算流速，采用复自相关算法计算流速；
步骤10，判断是否所有分段信号均处理完成，若是，则结束，否则，i＝i+1，返回步骤5。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法，其特征在于，所述回波数据分段中，对回波信号按照发射信号长度进行分段，发射信号长度由重复次数repeat和单次重复发射信号长度Lm确定。
3.根据权利要求1所述的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法，其特征在于，所述计算第i段回波的自相关性参数Li，采用复自相关算法获取第i段回波的自相关性参数Li，包括：
计算第i段回波的I、Q路信号的能量值power1、power2，按照初始时延值τ＝Lm，分别计算第i段回波的I、Q路信号的自相关值corr1、corr2和I、Q路信号的互相关值corr3以及Q、I路信号的互相关值corr4，记自相关性参数Li的实部为re＝corr1+corr2，虚部为im＝corr4-corr3，则自相关性参数Li为
4.根据权利要求1所述的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法，其特征在于，所述比较第i段回波的自相关性参数Li与设定阈值的大小，若Li小于设定阈值，或Li大于等于设定阈值、时延大于发射信号长度一半，则计算分段信号流速。
5.根据权利要求1所述的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法，其特征在于，依据确定时延计算流速，采用复自相关算法计算流速，其流速计算公式为：其中vi为分段信号流速，fs为采样频率。
6.一种基于DSP的依据相关性改变时延的测流装置，其特征在于，包括：
第一单元，确定自相关阈值和发射信号长度；
第二单元，获取回波数据，其中回波数据为I、Q两路信号；
第三单元，回波数据分段，对各分段回波进行处理；
第四单元，设定初始时延，初始时延值τ＝Lm，Lm为单次重复发射信号长度；
计算处理单元，执行如下流程：
(1)计算第i段回波的自相关性参数Li；
(2)比较第i段回波的自相关性参数Li与设定自相关阈值的大小，若Li大于等于设定自相关阈值，则转至(3)，若自相关性参数Li小于设定自相关阈值，则转至(5)；
(3)，时延增加，时延以单次重复发射信号长度Lm为单位递增；
(4)，判断时延与发射信号长度一半的大小，若时延大于发射信号长度的一半，则转至(5)，若时延小于等于发射信号长度的一半，则转至(1)；
(5)，依据确定时延计算流速，采用复自相关算法计算流速；
(6)，判断是否所有分段信号均处理完成，若是，则结束，否则，i＝i+1，返回(1)。
7.一种计算机设备，其特征在于：该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行上述计算机程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于：该计算机可读存储介质存储有执行如权利要求1-5中任一项所述的基于DSP的依据相关性改变时延的测流方法的计算机程序。
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