CN117169548A - 一种声学多普勒流速剖面仪水池计量校准技术方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种声学多普勒流速剖面仪（ADCP）计量校准方法。本发明采用双标准声源发声的方法对声学多普勒流速剖面仪的底跟踪模式和水跟踪模式进行校准，校准的参数为底跟踪速度、水深和水跟踪速度，校准的信号模式包含小功率模式、满功率模式、小量程模式、大量程模式以及各种层厚的测量信号。本发明方法采用两个标准声源作为仿真回波的回发信号源，采用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）技术实现校准系统的应答功能，通过上位机控制ADCP校准模式的转换以及校准数据的传输与发送。本发明实现对声学多普勒流速剖面仪的准确、高效、便捷化计量校准，填补了国内外实验室水池环境下声学多普勒流速剖面仪计量校准方法的空白。为声学多普勒流速剖面仪的计量校准提供了一种新的可借鉴的方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种计量校准方法，具体涉及一种基于声学的多普勒流速测量系统的计量校准方法，属于流速测量领域。
背景技术
声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profile，ADCP）是一种在传统测流方法上改进发展而来的测速声呐，能测量包括流速在内的船速、水深、水温等多项海洋环境。作为一种新型的流速测量仪器，因其测量精度高、测量范围广、测量时对流场无影响等优点，而被广泛应用于水下导航、水利监测、海洋观测等河流和海洋工程领域。但其作为测量仪器，设备的精度在日常工作中是非常重要的，故需对ADCP进行定期的检定校准。
目前国内外对ADCP的校准主要有两个领域方法：
一类是水域校准，即把ADCP放置于真实的海洋或河流水域中，对其进行校准试验，所采取的方式也是以GPS和罗经校准底跟踪模式，或以更高精度的流速设备比测校准ADCP的水跟踪模式，以此来实现对于ADCP的校准。此校准技术对于海洋环境的要求比较高且受制于更好的设备，成本也高。鉴于此，业界也将水域校准搬到了陆地，在陆地建设水槽对ADCP进行校准，但是对其校准也是主要在底跟踪模式下有较好的精度，而对于水跟踪，需要人为的创造流速去采用更高精度的仪器进行比测，同样成本高昂。
另一类是无水域校准，具体方法是把ADCP放置在无水域环境下，回发其水跟踪或者底跟踪信号，以此信号对其进行校准。此方法主要是利用换能器回发携带频偏和延时等信息的回波，在回发换能器和ADCP之间的连接使用耦合材料，以期实现对海水的模拟。此方法近些年在业内发展较为迅速，但是其对于回波信号的模拟大都是按照统计规律进行设计，没有考虑到具体的海洋环境；其次在无水域的校准中，采用耦合材料的方式终归还是无法做到和水域一样的情况，而对于其存在的一些噪声干扰问题同样是困扰着校准标准的制定。
目前为止，国内外还没有相关的计量检定标准和规范来衡量ADCP的技术指标和精度，这对计量部门检定以及使用单位造成了很大的困扰。由此可以看出，非常有必要开展ADCP计量校准方法的研究和相应计量标准装置的研制。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种实验室水池环境下声学多普勒流速剖面仪的计量校准方法。
一种声学多普勒流速剖面仪计量校准方法，该流速剖面仪是基于多普勒原理，根据该特征本校准方法具体包括以下两个步骤：
步骤1：用双点声源回发底回波信号对ADCP的底跟踪模式进行计量校准；
步骤2：用双点声源回发流回波信号对ADCP的水跟踪模式进行计量校准；
其中，所述步骤1具体为：
首先将对应待回发的底回波仿真信号通过U盘存储至任意波形信号发生器内，之后将两个声频信号发生器的输出分别接功率放大器的两个输入端，功率放大器的两个输出分别接到两个标准声源，标准声源采用非相干声源，此部分为信号回发设备连接。同样使用标准水听器作为ADCP发射信号的接收端，将标准水听器连接至放大滤波器，并将放大滤波器的输出连接至应答系统的信号采集端。其中应答系统由信号采集端、FPGA信号识别与处理端、触发输出端构成。触发输出端连接至任意波形信号发生器的外部触发端。同样对于信号采集端的数据需要通过以太网传输至上位机，以及对于校准的深度参数需要通过上位机传输至FPGA内部，此参数的设定主要是用来计算应答的延时时间。以上各部分组成校准系统的陆上信号处理部分。将待校准的ADCP和两个标准声源以及标准水听器吊放于消声水池内，其中两个标准声源分别和待测ADCP的两个换能器相距0.6m，标准水听器和其中一个标准声源处于同一位置，构成校准系统的水下测试传感部分。在校准中ADCP发射测试信号，信号形式是频率为614.4KHz的宽带编码信号，发射的信号由标准水听器进行接收，接收后的信号传输至陆上信号处理部分，经过应答系统后输出一个触发脉冲信号至任意波形信号发生器，从而触发输出待回发的底回波仿真信号，此信号经过标准声源发射至ADCP接收，ADCP接收后的信号经过解析可以得到速度值和深度值，从而达到校准此底跟踪速度值以及此深度值。而后根据此ADCP发射信号的测量速度范围，依次选择相应的速度等级的回波信号和深度值进行校准。之后再更改不同的发射信号进行测量速度范围内的校准。
其中，所述步骤2具体为：
将步骤一的设备连接保持原样，改变U盘存储的回波信号为流回波信号，将该信号存储至任意波形信号发生器的两个输出端。在水跟踪校准中首先回发校准的是单一流层的某一流速值仿真回波信号，对测量范围内的流速值进行逐点发射测量校准。之后再进行全流层统一流速和变流速的流回波信号校准，变流速的方式为全流层从第一个流层开始流速递增，直到中间流层后流速逐渐递减，以此模拟先增后减的流速变化情况。对于标准声源回发的带流速的流回波信号，ADCP接收后进行解析并与设定的流回波中的流速值进行比对校准。
一种实验室水池环境下声学多普勒流速剖面仪计量校准方法，该校准方法基于多普勒原理，校准系统包括标准声源与水听器系统、信号发生与采集分析系统、应答处理系统、以太网通信交互系统、安装与吊放系统、上位机控制和分析系统。
所述标准声源与水听器系统包括两个扬声器和密闭壳体以及一个压电陶瓷为传感元件的水听器，声源系统其负责产生点声源回发至ADCP，水听器系统负责接收ADCP发射的测量声信号。
所述信号发生与采集分析系统包括任意波形信号发生器和功率放大器以及放大滤波器，其中任意波形信号发生器负责输出存储在内部的回波信号，而功率放大器则负责放大任意波形信号发生器输出的信号；放大滤波器负责将接收到的标准水听器输出的信号进行放大滤波。
所述应答处理系统包括模拟/数字转换模块（A/D）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）、数字/模拟转换模块（D/A）等。A/D模块负责将采集到的模拟信号转换为数字信号传输至FPGA内进行处理。FPGA的功能主要是对信号进行识别与判断延时，根据信号识别的结果进行相应的延时，并且输出使能信号。D/A模块根据FPGA输出的使能信号进行相应的脉冲信号输出。
所述以太网通信交互系统包括网线与上位机，网线负责数据的传输，上位机负责数据的接收与发送。接收的数据为A/D模块所采集到的ADCP所发射的测量信号，发送的信号为测量的距离，此数据传输至FPGA内部进行相应的延时计算。
所述安装与吊放系统包括固定夹具、吊具，吊绳以及负责通信的电缆与电源线。
所述上位机控制和分析系统实现计算机与ADCP之间的控制通讯。控制ADCP发射不同的测量信号形式，主要包括不同功率和不同量程的测量信号，进而实现发射测量信号的控制以及采集回波信号数据的记录、显示和保存。同时负责整机系统的自校准、各功能模式的转换与控制以及测量数据的计算与显控。
本发明的有益效果在于：填补了国内外实验室水池环境下声学多普勒流速剖面仪计量校准方法的空白，实现对声学多普勒流速剖面仪的准确、高效、便捷化计量校准。为声学多普勒流速剖面仪的计量校准提供了一种新的可借鉴的方式。
附图说明
图1为声学多普勒流速剖面仪实验室水池校准示意图；
图2为待校准ADCP与标准声源以及标准水听器位置示意图；
图3为应答系统组成示意图；
具体实施方式
下面通过实例，并结合附图对本发明进行进一步的详细的描述。
实施例一
如图1所示，任意波形信号发生器1的两个输出分别接功率放大器2的两个输入端，功率放大器2的两个输出分别接到标准声源3、4。标准水听器5连接至放大滤波器6的输入端，放大滤波器6的输出端连接至应答系统7的输入端。应答系统7如图3所示，模拟/数字转换（A/D）模块8为应答系统7的输入端接口，模拟/数字转换模块8的输出连接到现场可编程逻辑门阵列（FPGA）9的端口，现场可编程逻辑门阵列9的端口同样还连接了数字/模拟转换模块10的输入端和以太网通信模块11，数字/模拟转换模块10的输出端连接至任意波形信号发生器1的外部触发端，以太网通信模块11与上位机12通过网线进行连接。待测的声学多普勒流速剖面仪（ADCP）13通过电缆与上位机14进行连接。水下测量传感部分如图2所示，将待测声学多普勒流速剖面仪13与标准声源3、4以及标准水听器5放置于全消声水池15中组成水下测量传感部分。而任意波形信号发生器1、功率放大器2、放大滤波器6、应答系统7、上位机12、14等放置于陆上组成陆上信号处理部分。选用图1的系统在全消声水池内即可对ADCP进行底跟踪模式和水跟踪模式的各参数计量校准。
如图2所示，将标准声源3、4、标准水听器6、待测声学多普勒流速剖面仪13吊放至全消声水池15内，并使得标准声源3、4分别正对待测声学多普勒流速剖面仪13的中心点，且两者之间的距离为0.6m。对于标准水听器5也将其与标准声源3并排放置，使其尽量正对待测声学多普勒流速剖面仪13的中心处。
测量速度点在测量范围内按0.1m/s间隔取点。以校准底跟踪速度0.8m/s为例。通过对任意波形信号发生器1插入U盘，并且将U盘内的本次校准中的仿真为0.8m/s底跟踪速度的底回波信号复制至任意波形信号发生器1内进行存储。设置任意波形信号发生器1的输出模式为外部触发模式输出，触发输出的循环次数为发射信号的ping数，本次底跟踪校准声学多普勒流速剖面仪13所发射的ping数为120，所以循环触发120次。上电开机启动应答系统7，控制上位机12建立与现场可编程逻辑门阵列8之间的千兆以太网连接，选择IP地址与端口号之后，选定发送的指令为十六进制的数据，本次发送的校准距离位50m，转成32bit的十六进制数发送00 00 00 32，当现场可编程逻辑门阵列8接受到此传输数据时，应答系统7会点亮一个LED灯表示已经接收到数据，同时也表示应答系统7所有参数装载完毕，系统可以开始运行，此时按下开始工作按键则应答系统7开始工作。
通过上位机14建立与待测声学多普勒流速剖面仪13之间的联系。本次校准声学多普勒流速剖面仪13所发射的测量信号为小功率模式下的小量程模式，量程范围为-2.5m/s~2.5m/s，其中层厚设置为1m，信号的形式为宽带m编码信号，载波频率为614.4KHz，信号发射120ping。标准水听器5接收到声学多普勒流速剖面仪13所发射的声学测量信号后，将其转换为电信号，经过放大滤波器6后进入应答系统7，应答系统7对所采集的信号进行精确的算法识别，识别到所采集的信号为声学多普勒流速剖面仪13所发射的测量信号后，应答系统7根据以太网输入的距离参数50m延迟66.66ms，延时结束后输出一个触发脉冲信号，触发脉冲信号进入任意波形信号发生器1的外部触发端，任意波形信号发生器1受到触发，即输出通过U盘存储在内部的0.8m/s的仿真底回波信号，两路仿真底回波信号经过功率放大器2放大后进入标准声源3和4，标准声源3、4将此电信号转换为声信号进行回发，待测声学多普勒流速剖面仪13接收到此回发的仿真底回波声信号，上位机14对此信号进行记录、显示和保存。
更改U盘存储在任意波形信号发生器1内的底回波波形，校准的底跟踪速度从0m/s开始，间隔0.1m/s进行一次校准实验，保持发射信号为小功率模式下的小量程信号，更改其层厚的设置为0.5m、2m、4m。之后更改声学多普勒流速剖面仪13的发射的测量信号，改为小功率模式下的大量程测量信号，层厚分别设置为0.5m、1m、2m、4m重复上述的校准过程。待底跟踪速度校准完毕，选取某个速度点的底回波波形为回波波形，更改上位机12传输至现场可编程逻辑门阵列9的校准距离参数，从10m开始，每隔5m进行一次校准，直至80m。以上即为底跟踪模式下的底跟踪速度校准和距离校准。
实施例二
保持底跟踪校准模式下的装置不变。在水跟踪模式下，先对某一层的流速进行校准，首先选择声学多普勒流速剖面仪13的发射信号模式为小功率模式下的小量程信号，信号形式为宽带m编码信号，载波频率为614.4KHz，并且测量信号的层厚为0.5m，设置总体水深为50m。选择校准的水层为10、20、30、40、50、60、70、80、90层，这个9个水层的流速都设置为同一流速值进行校准，流速的选择从量程内从0m/s开始，间隔0.1m/s依次选取。在校准中由于变更了需要校准的水层数，所以需要通过上位机12发送距离指令给现场可编程逻辑门阵列9进行设置相应的水层回波延时。待0.5m层厚的校准完毕，设置发射信号为1m的测量层厚，改变校准的水层为5、10、15、20、25、30、35、40层。再改为2m的测量层厚，校准的水层为2、5、8、11、14、17、20层。最后改为4m的测量层厚，校准的水层为1、3、5、7、9层。
待单一流层的速度校准完毕，保持装置不变，将存储在任意波形信号发生器1内的单一流层的仿真回波信号更改为全流层统一流速的仿真流回波信号。在全流层统一流速的校准中，校准的流层厚度依次设定为0.5m、1m、2m和4m，回波信号的延时选取盲区的距离延时，盲区的距离为一个流层单元，所以每次更换声学多普勒流速剖面仪13所发射的测量信号时，需要更改流回波信号的延时。全流层统一流速在测试范围以0.1m/s为间隔进行校准测试。待全流层统一流速的校准结束，保持装置不变，更改校准为全流层变流速。只需将存储在任意波形信号发生器1内的仿真流回波更改为变流速的信号即可。变流速的信号形式为随着流层的增加流速先增大，而后减少，以此达到流速增加和流速递减的两种测试环境校准。
Claims (7)
1.一种声学多普勒流速剖面仪计量校准方法，该流速剖面仪是基于多普勒原理，根据该特征本校准方法具体包括以下两个步骤：
步骤1：用双点声源回发底回波信号对ADCP的底跟踪模式进行计量校准；
步骤2：用双点声源回发流回波信号对ADCP的水跟踪模式进行计量校准；
其中，所述步骤1具体为：
首先将对应待回发的底回波仿真信号通过U盘存储至任意波形信号发生器内，之后将两个声频信号发生器的输出分别接功率放大器的两个输入端，功率放大器的两个输出分别接到两个标准声源，标准声源采用非相干声源，此部分为信号回发设备连接。同样使用标准水听器作为ADCP发射信号的接收端，将标准水听器连接至放大滤波器，并将放大滤波器的输出连接至应答系统的信号采集端。其中应答系统由信号采集端、FPGA信号识别与处理端、触发输出端构成。触发输出端连接至任意波形信号发生器的外部触发端。同样对于信号采集端的数据需要通过以太网传输至上位机，以及对于校准的深度参数需要通过上位机传输至FPGA内部，此参数的设定主要是用来计算应答的延时时间。以上各部分组成校准系统的陆上信号处理部分。将待校准的ADCP和两个标准声源以及标准水听器吊放于消声水池内，其中两个标准声源分别和待测ADCP的两个换能器相距0.6m，标准水听器和其中一个标准声源处于同一位置，构成校准系统的水下测试传感部分。在校准中ADCP发射测试信号，信号形式是频率为614.4KHz的宽带编码信号，发射的信号由标准水听器进行接收，接收后的信号传输至陆上信号处理部分，经过应答系统后输出一个触发脉冲信号至任意波形信号发生器，从而触发输出待回发的底回波仿真信号，此信号经过标准声源发射至ADCP接收，ADCP接收后的信号经过解析可以得到速度值和深度值，从而达到校准此速度值以及此深度值。而后根据此ADCP发射信号的测量速度范围，依次选择相应的速度等级的回波信号和深度值进行校准。之后再更改不同的发射信号进行测量速度范围内的校准。其中，所述步骤2具体为：
将步骤一的设备连接保持原样，改变U盘存储的回波信号为流回波信号，将该信号存储至任意波形信号发生器的两个输出端。在水跟踪校准中首先回发校准的是全流层统一流速的流回波信号，对测量范围的流速值进行逐点发射测量校准。之后再进行全流层变流速测量校准，变流速的方式为全流层从第一个流层开始流速递增，直到中间流层后流速逐渐递减，以此模拟先增后减的流速变化情况。对于标准声源回发的带流速的流回波信号，ADCP接收后进行解析并与设定的流回波中的流速值进行比对校准。
2.一种实验室水池环境下声学多普勒流速剖面仪计量校准方法，该校准方法基于多普勒原理，校准系统包括标准声源与水听器系统、信号发生与采集分析系统、应答处理系统、以太网通信交互系统、安装与吊放系统、上位机控制和分析系统。所述标准声源与水听器系统包括两个扬声器和密闭壳体以及一个压电陶瓷为传感元件的水听器，声源系统其负责产生点声源回发至ADCP，水听器系统负责接收ADCP发射的测量声信号。所述信号发生与采集分析系统包括任意波形信号发生器和功率放大器以及放大滤波器，其中任意波形信号发生器负责输出存储在内部的回波信号，而功率放大器则负责放大任意波形信号发生器输出的信号；放大滤波器负责将接收到的标准水听器输出的信号进行放大滤波。所述应答处理系统包括模拟/数字转换模块（A/D）、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）、数字/模拟转换模块（D/A）等。A/D模块负责将采集到的模拟信号转换为数字信号传输至FPGA内进行处理。FPGA的功能主要是对信号进行识别与判断延时，根据信号识别的结果进行相应的延时，并且输出使能信号。D/A模块根据FPGA输出的使能信号进行相应的脉冲信号输出。所述以太网通信交互系统包括网线与上位机，网线负责数据的传输，上位机负责数据的接收与发送。接收的数据为A/D模块所采集到的ADCP所发射的测量信号，发送的信号为测量的距离，此数据传输至FPGA内部进行相应的延时计算。所述安装与吊放系统包括固定夹具、吊具，吊绳以及负责通信的电缆与电源线。所述上位机控制和分析系统实现计算机与ADCP之间的控制通讯。控制ADCP发射不同的测量信号形式，主要包括不同功率和不同量程的测量信号，进而实现标准声源信号的控制以及采集回波信号数据的记录、显示和保存。同时负责整机系统的自校准、各功能模式的转换与控制以及测量数据的计算与显控。
3.根据权利要求2所述的应答处理系统装置，其特征在于：所述的模拟/数字转换模块（A/D）的采样率需要达到3.072MHz以上。
4.根据权利要求2所述的应答处理系统装置，其特征在于：所述的数字/模拟转换模块（D/A）的输出信号频率需要达到614.4KHz以上。
5.根据权利要求2所述的应答处理系统装置，其特征在于：所述的现场可编程逻辑门阵列（FPGA）为Xilinx的XC7A100T系列。
6.根据权利要求2所述的以太网通信交互系统装置，其特征在于：所述的以太网通信的传输速率为千兆网。
7.根据权利要求1所述的声学多普勒流速剖面仪计量校准方法，其特征在于：将整个水下传感系统吊放至水下消声水池的中间位置，并且保证系统不晃动并且水平居中没有俯仰。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117784013A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-03-29 | 南京谷贝电气科技有限公司 | 一种声学成像仪校验系统 |
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2023
- 2023-09-05 CN CN202311135893.6A patent/CN117169548A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117784013A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-03-29 | 南京谷贝电气科技有限公司 | 一种声学成像仪校验系统 |
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