[硕士论文精品]宽带相控多普勒测速技术研究

哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要声多普勒流速剖面仪在海洋开发中得以广泛使用。目前来看，宽带系统的优点为稳定的测速性能，较小的平均时间，细致的深度单元。同时，相控阵技术的成功应用，不但消除了多普勒测速时一个很大的误差源，还减小了设备的体积。论文重点讨论两方面的内容宽带编码信号处理技术和相控阵技术。论文研究了多普勒测速原理，频率估计的方法，特别是复相关频率估计法。研究了脉冲非相干、脉冲相干技术及利用宽带编码信号时的回波处理过程。在仿真回波信号时考虑了波束角展宽的影响，总结了宽带系统的优点，给出了宽带回波处理的仿真性能。论文研究了应用在多普勒测速系统中的相控阵技术和相控发射、接收方法。通过对基阵波束图的研究分析，得出了可能影响基阵波束图的因素，给出了最优的结果。在此基础上实现了相控接收的数字方法，并处理了相关实验数据。关键词多普勒测速编码信号；相控阵哈尔滨二程大学硕七学位论文ABSTRACTASACOUSTICDOPPLERTECHNIQUESPERFORMEDOUTSTANDINGLYINTHEFIELDOFMEASURINGOCEANVELOCITIES，WHICHATTRACTEDMOREATTENTIONTHEBROADBANDSYSTEMSHOWEDEXTRAPERFORMANCES，THOSEWERECONSISTENTMEASUREMENTCAPABILITY，SMALLERAVERAGINGTIMEANDFINERDEPTHCELLONTHEOTHERHAND，PHASEDARRAYTECHNOLOGYWASSUCCESSFULLYAPPLIEDNOTONLYTOELIMINATEONEOFTHELARGEERRORSOURCES，BUTALSOREDUCETHEVOLUMEOFEQUIPMENTTWOASPECTSWEREFOCUSEDONINTHEPAPER，WHICHWEREBROADBANDPHASECODEDSIGNALPROCESSINGTECHNIQUESANDTHEPHASEDARRAYTECHNOLOGYTHEPRINCIPLEOFUSINGACOUSTICDOPPLERTECHNIQUESONMEASURINGVELOCITIESWASSTUDIEDINTHEPAPERANDTHEFREQUENCYESTIMATIONMETHODSESPECIALLYTHECOMPLEXSELFCORRELATIONAPPROACHALGORITHMWASANALYZEDINDETAIL，WITHWHICHTHE矗EQUENCYOFFSETESTIMATIONWASEASILYOBTAINEDTHEPULSETOPULSEINCOHERENTANDPULSETOPULSECOHERENTTHEORIESWEREDISCUSSEDANDTHESIGNALPROCESSINGWASDESCRIBEDTHEEXCELLENCESOFUSINGTHEPHASECODEDSIGNALWEREPOINTEDOUTUNDERTHEINVESTIGATIONOFSOMECOMPUTERSIMULATIONSCONSIDERINGTHEFREQUENCYINFLUENCEBROUGHTBYTHEBEAMANGLETHEFUNDAMENTALTHEORYOFTHEPHASEDARRAYTECHNOLOGYEMPLOYEDTOTHEDOPPLERVELOCITYMEASUREMENTWASSTUDIEDANDTHESCHEMESFORREALIZINGTHETRANSMIRINGANDRECEIVINGSYSTEMWEREREVIEWEDAFTERSEVERALARRAYRADIATIONPATTERNSWEREOBSERVEDCAREFULLY，ONEOFTHEFACTORSTHATMAYAFFECTTHERADIATIONCHARACTERISTICSWASFOUNDSOMERESULTSWERELISTEDINTHISPAPERTHATREVEALSABETTERSEQUELTWODIGITALWAYSAPPLIEDTOTHERECEIVINGPHASEDCONTROLWEREPRACTICEDANDTESTEDWITHTHERELEVANTEXPERIMENTALDATA,WHICH“EREFEASIBLEFORFURTHERWORKKEYWORDSDOPPLERVELOCITYMEASUREMENT；PHASECODEDSIGNAL；PHASEDARRAY哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签字另暂双日期口口J年3月厂罗日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文口在授予学位后即可口在授予学位12个月后口解密后由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者签字弓落敦导师签字徽日期矿D7年弓月哆日OY年月L3日【哈尔滨工程大学硕士学位论文第1章绪论11引言21世纪海洋发展战略已成为各国关注的焦点，美国于2007年率先发布了规划美国今后十年海洋科学事业海洋研究优先计划和实施战略ILL，提出了20项科学研究的优先重点和所需的关键技术，为其海洋科技的发展确定了方向，此后各国都相继提出了各自的战略规划。我国是一个海洋资源丰富的国家，如何有效的开发海洋资源和捍卫海洋权益已经是关系到国家安危兴衰的重大问题，有关海洋的各类科研究和涉及的各种问题都要特别重视。海洋活动的三大主题是海洋科学研究、海洋探测和海洋资源开发B1。海洋探测为海洋科学研究和海洋资源开发服务，因此，海洋探测技术也成为了海洋科技中的重点。一般来说海洋探测可分为海洋环境自动观测技术、海洋遥感技术、水声技术、水下工程探测技术、海洋地质和地球物理勘探技术。水声技术就是以研究声学在海洋中的传播为基础的一门学科，主要目的是为海洋探测活动提供相应的理论支持，以及开发各种用于探测的科学仪器。人类认知事物最直接的方式是通过视觉，承载视觉信息的载体是光，但是海洋介质具有一定的特殊性，它是光传播的不良介质，不能利用光进行远距离信息传递。目前已知的唯一能在海洋中有效实现远距离信息传递的载体是声波，有关海洋的各种探测仪器的发展基本都离不开声学技术的研究和发展。要进行海洋探测首先要了解海洋环境。在广阔的海洋中存在着多层的不均匀海流，测量这些海流的分布是十分必要的，海流测量技术也是海上交通和航运、海洋工程、海洋渔业、海上军事活动及全球气候研究最为关注的基本海洋动力学参数之一。海流测量技术的中心思想是既要得到精确的流速剖面，但又不能破坏流场分布。声学多普勒流速剖面仪ACOUSTICDOPPLERCURRENTPROFILER，以下简称ADCP正是这样一种仪器，国际海委会已经把ADCP列为四种先进的海洋观测仪器之一。哈尔滨J广程人学硕士学位论文12论文背景和意义ADCP是一种新型的测流声呐，主要应用多普勒测速理论测量海流的相对速度，应用矢量合成法，计算海流垂直剖面上的三维绝对流速P1。仪器利用水声换能器向海水介质发射一个定向的声脉冲信号，然后接收从海水中的散射体上反射的回波信号，利用声传播路径的时间的差异转换成不同的深度单元，将海水介质分层化，测量各层回波信号的频率信息，分析多普勒频移变化，换算得到相对运动速度，进而转化成海流的流速信息。它的优点就在于，利用多普勒测速原理采用遥测的方法，对流场不产生外界扰动，能更真实地反映流场的分布，而且节约了大量人力物力。早期的声学多普勒测速技术，发射一个单频填充的脉冲信号，通过测量回波的多普勒频移得到速度信息州。实际的回波信号是一个随机过程，包含众多干扰，通常假定它是时间平稳和空间均匀的，通过对处理结果的统计平均来得到较为精确的值，因此一定时间内的处理效率在一定程度上与信号频率成正比，也就意味着高频信号的精度高。然而，在实际的速度测量应用中，要考虑工作深度的影响。海洋环境是复杂的，海水介质的特殊性使声信号的作用距离与频率成反比，增加工作深度就要降低频率P1，要达到同样的统计平均效果，就必须增加信号长度，这样一来就损失了信号对距离的分辨率，众多限制和矛盾导致了窄带技术的局限性。现代信号处理技术不断向前发展。宽带技术的出现较好地解决了窄带技术存在的问题，改善了多普勒测速性能，拓展了多普勒的测速范围坤1。与传统的窄带系统相比，宽带系统单次发射得到的回波信息量增加了两个数量级。这些增加的信息量提高了单次测量得到的对水和对底速度的标准差，同时也大大地提高了长期测量的精度。国外于九十年代初成功开发出宽带ADCPBROADBANDADCP，简称BBADCP产品，产品具有测量过程耗时少、流层分布范围广、分层细致、安装使用方便等特点。有资料显示P1，这种设备一次发射就可以获得一个剖面上多达128层的不同深度的流速。并且，用对底跟踪测量船速H1，精度可达1CRNS。随着船的航行，可连续测量，在相当短的时间内可得到相当大海域面积的流场分布情况。同时，换能器的尺寸也是要考虑的问题。相控阵技术，PHASEDARRAYADCP2哈尔滨工程大学硕学位论文PAADCP有效减D,Y声呐尺寸9M1，也解决了测速算法中的声速补偿问题，仪器测速精度得以提高。令仪器的安装和使用更为方便，同时消除了算法中一个很大的误差源，使我国自长江委水文局长江口水文水资源勘测局引进第一台ADCP之后已陆续引进了不少设备，在水文测量方面发挥了巨大作用”。近几年，中国经济高速发展，据称，未来10年里中国有望成为世界第一造船大国21。但是，作为附加值很高的船舶电子、导航、科学考察设备仍然依赖进口，设备本土化率不到10，这无疑是中国海洋技术缺憾，也是从事与海洋科技有关的科研人员的努力方向。13国内外发展历程ADCP的测流思想最初由KOCZY和VTASAK于上世纪六十年代提出，经过CHESAPEAKEBAY学院、NOAA的EDL实验室、以及REIGER等人的相继研究，上世纪八十年代术，ADCP成功地进入商业试用阶段，并在实践中不断更新技术，提高精度，使其科研价值越来越得到重视。国外，ADCP的研究开始于七十年代初，当时较有名的有美国的AMETEK、英国的ISO、法国的THOMSON等公司，八十年代初从美国的AMETEK公司分离出来的RD公司率先推出系列ADCP产品，并迅速占领了国际市场。以信号检测技术为特征，ADCP的研究和发展可分为三个阶段第一阶段是以锁相式频率跟踪器为特征，代表产品如日本古野公司的CI30型；第二阶段是以复相关技术作为计算信号多普勒频移的手段，如RD公司的窄带声学多普勒海流剖面仪NBADCP；第三阶段是以宽带脉冲对相干技术为特征，代表产品如RD公司的宽带声学多普勒海流剖面仪BBADCP1310各阶段对应的单次发射的信号分别为连续窄脉冲、窄带脉冲串和宽带编码脉冲串信号。纯理想状态时，以数学分析的角度来讲，宽带脉冲串信号的多普勒测速与窄带脉冲串信号的多普勒测速是等价的，但在实际应用中，受工作环境和信号处理技术的影响在大深度时宽带系统的性能优势明显。可代表这项技术的世界先进水平是美国RD公司研制的38KHZ的BBADCP，其最大海流剖面测量深度1200M，对底跟踪深度可达5000M。生尘至。堡奎茎堡圭兰堡兰兰图L1机械结构的ADCP图12相控阵结构的ADCP以换能器基阵形式为特征，ADCP的研究和发展可分为二种类型1”1。第一种类型的换能器阵由3个或4个相同的换能器按一定的结构形式如JANUS结构形式机械固定而成图11，九十年代以前的ADCP产品都采用这一类型的换能器阵。它的缺点丰要有换能器阵的笈射和接收旁瓣较大”因测量原理要求组成的换能器阵的发射面与水平面之问有一定的角度，换能器阵的发射面无论是内凹的还是外凸的都会引起阵旁的水流扰动，影响声波的发射和接收换能器阵的体积大，重量重，RD公司的75KHZ机械结构ADCP换能器阵直径约LM，重量约160KG，当要求测量较深海域而降低发射声波频率为381DLZ，它的换能器阵直径将达到2M，重量约1600KG。第二种类型的换能器阵为相控换能器阵，这种类型用一个平面阵代替了四个阵图L2，优点明显，RE,公司在1995年首次推出型号为VM0038HP的38KHZ宽带相控阵声学多普勒海流剖面仪，随后生产的型号都采用相控阵技术。表11列出了RD公司两种系列ADCP的性能说明。表11RD公司两种系列ADCP的适用范围说明机械结构系列相控阵结构系列频率KHZ1200、600、300、150】50、75、38测流周期典L”值虽小值L60MIN5HZ1560MIN02HZ层J宁典删值鼹小值4M5CM16M音面深度06M300M10M1000M我国自七十年代以来有关单位在这方面只进行了初步研究探索，但一直没有F式产品，八十年代后期，ADCP技术被国家海洋局作为重点项目研究。哈尔滨丁程大学硕十学位论文1997年12月完成科研样机，通过技术鉴定，并安装在海洋局的三条海洋监测船上试用。中科院声学所在“七五”攻关计划中研制了拖曳式ADCP实验样机，并在“八五”期间开展了宽带ADCP技术的研究。目前，国内已发布的ADCP技术达到的水平是”剖面深度800M，对底深度2000M，最多测层128层，流速测量准确度13CMS，工作频率200Z300Z375KHZ。这只相当于美国九十年代初的水平，而且都停留在样机阶段离商用还有一段距离，因此各家研究机构还需努力。14论文的主要研究内容本实验组从九十年代起就开始了关于多普勒测速技术的研究，已经成功开发出多普勒计程仪DOPPLERVELOCITYLOG，以下简称DVL，在多普勒测速理论和相控阵理论方面具备很强的基础。ADCP和DVL两种仪器应用的理论基础和换能器形式都是相同的，鉴于具有相控阵的宽带多普勒测速技术是多普勒测速的发展方向，论文将主要研究宽带相控多普勒测速技术。论文首先说明了ADCP的应用、发展、技术的进步和巨大的国内外差距，说明了多普勒测速技术的未来趋势和研究意义，引出了论文研究的目的和论文的内容。其次，论文以仿真作为研究手段，重点讨论测速理论和可实现的算法。这部分首先研究多普勒测速原理，分析主要参数，特别是复相关频率估计方法。而后按照系统发展顺序研究各阶段的信号形式及处理方法，并在这些基础上进行仿真对比分析，总结仿真结果，给出宽带处理方法。随后，论文研究相控阵技术。研究相控阵基础理论、相控发射和接收方法。而后进行基阵波束图的理论和仿真研究，分析影响基阵波束图的参数。最后研究相控接收的实现方法。哈尔滨T程大学硕十学位论文21多普勒效应第2章多普勒测速原理1842年，奥地利科学家DOPPLERCHRISTIANJOHANN首次发现，任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生DOPPLER频移，这就是著名的多普勒效应”。其后，人们进行了大量的理论研究，多普勒效应在各个领域被广泛探讨，上世纪20年代开始有人提出利用声多普勒效应为海上导航系统服务。1955年美国等国家开始利用声多普勒效应获得的速度信息研制各种测量仪器。但由于技术水平有限在工作深度、测量精度、可靠性等方面均未达到一定的要求，因而未得到实际应用。直到上世纪70年代以后，随着水声技术的进步和信号处理技术的发展，使得多普勒测速的性能有了显著提高，利用声多普勒测速原理研制各种仪器才逐渐被广泛应用。而今，声多普勒测速理论己经发展得很成熟了，针对早期多普勒测速的缺点，众多研究人员集中精力对仪器的基阵以及信号解算方面进行的研究，大量的可靠性强的仪器不断出现。其中以詹纳斯JANUS系统为代表的多波束系统的出现射，不仅大大减弱了仪器载体平台颠簸及起伏所带来的干扰，还能够测量水平方向的两维速度，甚至还可以测得载体的垂直运动速度。22多普勒测速原理有一收发合置的换能器，目标与换能器之间的相对运动速度为，换能器发射信号频率为厂脉宽为丁，初始时刻TO，目标与换能器之间的距离为三，信号前沿返回时刻为，。，后沿返回时间为如，C为声速，则可列方程221生二12尘2二三2VR2那么，理想情况下接收到的脉冲宽度为6哈尔滨工程大学硕七学位论文T吐_FI鬲CV丁畿R22CVL1，C故，当信号源与目标之间存在相对径向运动时，回波信号会被压缩或展宽。将上式转化为频率关系F堡坐7R2一3JR2_J。3当信号源与接收器之间存在相对径向运动时，接收到的信号频率将会高于或低于信号源发射信号的频率，利用这一关系既可通过测量接收信号与发射信号之间的频率差通常称为多普勒频移来求得相对运动速度。由于实际运用中相对运动速度远小于声速，可将上式近似化简为，畿厂等瓮等川12VCFCV24，一，I二，ILZQJ“LC。L一VC2。、一那么，多普勒频移将表示为厶竺厂25D一_5上式就是通常意义下所总结出的规律多普勒频移与相对运动速度成正比关系。利用这一规律就可以通过测量多普勒频移来得到物体的相对运动速度。221速度解算方法ADCP最大的特点是可以设置对底工作模式，此时会输出两部分信息，一是载体的运动速度，二是海底深度91。以具有詹纳斯配置的系统为例。图2。1典型詹纳斯JANUS波束配置图7哈尔滨1程大学硕士学位论文载体以水平速度坛向前正方向运动，向水底发射与垂直方向夹角成秒度的前后两束声信号I、II，信号频率为，则载体与被照射区域的相对径向速度分别为VXSINO和一玩SINO，海底平坦，反向散射作用后，信号经原路返回。将这一过程代入式24可得到前后两束回波信号的频率分别为12VXSINOF26厶L1一2VXSINOF,27可以得到前后回波的多普勒频移为厶2VXSINO，28，II2，L。芍J，刑一2VXSIN0F29一，棚2一，FLZ。J前后回波频率差为无4VXSINOF,一10210，D2L。由此计算得到水平速度VX生2114SIN0T同理可得载体垂直方向速度为VZ盟搿2124SIN0F那么，只要发射十字形或X型四个波束便可以得到水平二维速度口川，结合载体上的姿态仪、罗经等信息，经过一定的坐标转换就可以给出载体的绝对坐标速度。这一信息可用来辅助计算海流的方向和速度，也可用来实现计程仪的功能。垂直方向速度体现了载体的上下起伏，若将ADCP布置成自下而上抬头对海面照射形式，垂直方向的速度就反映出海面的纵向起伏波动。应用在流速测量时则体现为所测流层的垂直切变波动。深度信息是利用发射信号和回波信号到达的时间差算出的，公式为8哈尔溟丁程大学硕士学位论文，F、日二_掣COSE213Z这一信息可以用来自适应调节对底发射信号长度。调整发射信号长度的目的是方便选择合理的接收时间，截取有效数据，更合理的利用存储计算空间。仪器刚开始工作时会进入底搜索模式，一般按两倍步长顺次发射由短到长的脉冲信号，同时调整回波的接收检测时间点，成功检测到初次回波信号后还要及时作小范围的更精确的调整，实时跟踪。RD公司的300KHZ的BBADCP共有9个初步搜索信号，最小脉宽调整范围可精确到042MS，给出的深度信息精确到厘米量级。本论文以测速为主要研究对象，深度信息只作为仿真时设计发射信号脉宽和回波信号接收采样时间点的一个参考依据，不涉及具体的测深理论。222分层方法ADCP工作在对流模式下时发射固定脉宽的信号，信号的长度和形式主要由设定的流层厚度决定。流层厚度是测量前要选定的工作参数，可进行指定范围内的调整。系统通过所选层厚确定合理的发射信号，接收处理部分利用不同深度的流层的回波信号到达时间不同来判定回波信号携带信息的所属流层2。时时对时间间间间IJLJ|J|J12340溅帆7盲区水层1水层2水层3门水层D呙厂1R深度H图22流分层模型示意图9哈尔滨_程大学硕十学位论文I一IIII葺I叠盲区是仪器单次发射后能检测到的最早回波到达时刻，也是仪器最浅的使用距离，这一参数除了与发射信号长度有关外还在一定程度上依赖换能器收发转换时间，图22中圆形区域内为对该层回波信号有贡献的散射体的集中表示区，相邻层之间的回波有一定的干扰，干扰主要来自图中的圆形上下的三角区域内的散射，当流层平稳时显示速度为四波束的平均值。223误差和修正方法从公式来看影响多普勒测速精度的误差有三类一是公式简化引入的误差二是带入常量不准引入的误差；三是频率估计不准引入的误差。公式简化引入的误差已用詹纳斯配置大大减小，有关这一方面的内容详见参考文献23】。作为常量代入的有角度口和声速C。船的摇摆会引起目的变化，解决方法是通过船上的姿态装置测得摇摆角进行修正。海洋是复杂的介质，声信号在其中的传播速度是变化的，严格来说不是常量，但这种变化是相对缓慢的，在一次收发时间内可认为是常量。早期修正声速误差的主要思想是间接获得更准确的实时声速值或保证声速值在一定时间内不变，比如通过实时测量温度、盐度查表计算，加导流罩保持温度不变从而保持声速不变。这些方法的根本目的是进行声速补偿修正。相控阵理、论通过保证圭为常数自动补偿声速，免除了复杂的声速修正，这一理论SINO将在后面作解释。23频率估计的方法回波信号的频率估计方法的进步也是推动多普勒测速技术发展的重要因素，频率估计的方法很多珏41，自适应法，准正交采样法，经典谱估计，现代谱估计等等。但是实际系统实现时，要考虑一定的处理速度和运算量。谱估计法基本上都要对一定的序列做傅里叶变换，然后通过寻找变换后的极值点来确定频率，相对运算量较大。虽然关于频率估计的理论研究很多但成功实现到设备上的算法并不多。已知的有代表性的算法主要有三种，第一种是锁相式频率跟踪器，第二种是过零点检测法，第三种是复自相关频率估计、法1251。10哈尔滨丁程大学硕学位论文231锁相式频率跟踪器当发射信号为窄带信号时可将回波信号表示为XTCOS2NFOT2NFUTEOS2砺ITCOS2NFU，SIN2NFOTSIN2NFAR214WLCOS2NFOT一W2SIN2NFO，上式说明回波信号可以通过两个正交信号的加权和产生。首先产生一个预测信号，将接收的回波信号与此信号作差后的余量作为预测误差，然后利用合理的误差准则比如最小均方差准则实时调整加权值，利用两次的权值就可得到频率差，进而求得多普勒频移。这种方法对单次回波需要一段时间才能得到稳定的权，而且精度与跟踪器的步进密切相关。232过零检测法过零检测法是一种时域测量信号时延相位差的方法，这种方法根据信号的过零数来估计信号的频率。它的优点是运算量小、容易实现；缺点是对噪声过于敏感，并且当观测信号的数据量较少时，量化误差大，造成的测量误差较大。改进的过零检测法，通过内插修正对量化进行补偿，在高信噪比时得到了较好的效果，但低信噪比效果不能令人满意。233复相关理论复相关频率估计法是近来被广泛认可和采用的算法，这一方法受信噪比影响小胁1，并且运算量较现代谱估计法小得多。由于海水介质的影响，回波信号是一含有大量噪声的随机过程。复相关法频率估计的思想来源于对随机信号的自相关函数的研究。利用相关运算去除一定的白噪声，在实际应用中能适应较复杂的海洋环境。如果将接收回波表示成信号加白噪声的形式YTXTNT215其自相关函数为哈尔溟工程大学硕学位论文R。RE【工9门OXTF，ZOF】RXFR。FR朋FR。F216R，扣，F0上式可以说明，用R0时的接收回波的自相关函数能准确无偏的估计信号的自相关函数。信号的自相关函数RR与其功率谱之间满足傅立叶变换关系X门IRFEJ2XFRDR217RF芒1P厂PJ2加矽二万其中，XF为信号XR的功率谱密度函数，那么，根据矩估计理论，其平均频率厂为其功率谱的一阶矩，表示为F沁XFAF淑N影218利用信号的功率谱与其自相关函数RR之间满足的傅立叶变换关系，对上式进行一定的数学转化FFHNE删N彤防厂E埘。矿，DP厂EJ2ZRRAFL二生一I2XDRRO、RU二二一LXMEJ2ARDFRODRRI堡互竺J2XR0将相关函数表示成极坐标的形式RR1ARE，7其中，AR为自相关函数的幅度，它是F的偶函数，12219220R为自相关函数相位，哈尔溟程大学硕士学伊论文它是F的奇函数。因此有警L卜R歹掣“如铡删警L协2，业O掣I代入到式219得到7上蚴F222。27R如JRO上式表明，可以通过复信号自相关函数的相位在F0处的导数来求得信号的频率估计。由于00，这个导数值在一个小的采样间隔L“S0附近可以近似的表示为如下关系盟223TTS代入，得到平均频率的估值为夕去地去ARGRR,】224厂亡矽T亡J24上冗Z。Z冗F。其中，R0为相关函数在RT的值，问题转化为如何利用回波采样求其自相关函数的相位。234复相关算法的实现一个由N个以F。为采样间隔的采样点组成的的复采样序列S刀，1，2，其自相关函数可利用相邻样本的共轭乘积之和来表示，即R啪专善姒“1OST2专善T225其中，晶R。儿，R。与厶为相互正交的实采样序列，代入哈尔滨工程大学硕十学位论文1NRO寺R。儿。咒一儿。一1226寺R。R厶。厶歹毛厶。一心。LV一言L最终频率估值表示为每寸兄厶“R，LJ一NRR，厶厶。227这一算法一次估计需做4N1次乘法、2N次加法和一次反正切运算。235正交信号的形成应用时，接收到的是实信号，快速准确的获得与其正交的信号是后续算法能够ILION实现的重要保证，也是接收处理的关键部分。一般可以通过下面两种方法实现。方法一正交解调捌这种方法的原理框图如下图23正交解调原理框图这种方法的关键是需要产生正交的两个本振信号，当这两个本振信号不14哈尔滨_程人学硕士学何论文正交时，就会产生虚假信号，对后续处理造成影响。采用数字方法的优点是，只要保证运算精度，信号的正交性是完全可以保证的，但数字方法的难点是由于需要直接在高频进行数字化所以对AD采样要就比较高，而且后续的数字低通滤波是主要瓶颈。通常当信号为窄带时，都进行下变频处理，这样既可以减数字处理器的负担又能保证数字低通的阻带要求。方法二数字正交接收机PJQ这种方法来源于多相滤波结构，实现原理框图如下XCTCOS2FOFFDFS211FDFS2N图24止父J芰收耐L原埋框图其中，输入信号为XTCOS2NFOIFAT】按以下采样频率Z对其进行采样F熹，M0，L，2，上式中，M选取的最大值要满足带通采样定理。采样后的序列为缸功_COS臣哮斛2万舞川C0S2Z2M1，Z2万粤门】4；|啦万扣COSC学咖SIN陬抄SINC竿删尺门C0S粤竽册一坳SIN粤半册、，、，、，890223222，L，L，L哈尔滨T程大学硕七学何论文IIIII其中分别为信号的同相分量和正交分量基带。由式230得令则X2NR2NEOS2M1NN】R2N一1”X2N1_肥川SIN掣雄州】Q。3212N1一1”IR玎R2N一1”IJ聍I2N1一1233也就是说新序列是原序列的2倍抽取序列，当原序列的数字谱宽小于万2时，其2倍抽取序列可无失真的表示原序列。且容易证明F1F竺R7P寺尺P勺_埘。235L，P，埘去，P。IP亍LZ埘即，两者之相差一个延时因子E2，时域上只差半个采样点。该方法的优点是，不需要本振信号，且实现时计算过程简单，并且能够减少乘法器的个数每一路只需要两个即可；缺点是，输出的正交信号来自同一序列，变换后样本点数减少一半，两路输出序列的正交性也必须用准16疗一、幺F“F石F4六幼SL啷龇、J尉“功，尹加喘石Q陬酢功件知、，哈尔滨下程大学硕士学位论文确的采样率才能得到保证。24本章小结这一章主要讨论了多普勒测速原理。介绍了ADCP对底和对流时的信息来源，详细推导了实际系统中广为使用的复相关频率估计方法，给出了正交信号的形成算法。为下一章的仿真工作奠定了理论基础。17窒垒鋈；垒垒兰堡圭兰堡篁兰第3章信号处理仿真分析3L信号处理技术用于多普勒测速系统的信号可分为窄带和宽带两类也可按照信号的处理形式分为非相干处理和相干处理。按照发展顺序来看多普勒测速系统的信号处理技术经历了窄带脉冲非相干处理，窄带脉冲串相干处理和宽带编码脉冲串相干处理三个阶段”。窄带脉冲本身受到时间带宽积限制，需要在频率分辨率和距离分辨率之间作折衷选择，且当回波信噪比较小时，信息丢失严重。宽带编码脉冲能在保证频率分辨率的前提下不损失距离信息。311窄带脉冲非相干处理这种技术用的发射信号为一段连续的窄带脉冲，利用单次回波一段持续时间内的X12468脉忱BX105，O0L二频率他一35X1一图31CW脉冲的频谱分析示意图图31中纵坐标为归一化的结果，从频谱上看，如果发射信号脉宽长，因时问截断带来的频谱扩展小，频率分辨率高；信号脉宽短频谱扩展大，频率分辨率低。但长信号给出的距离信息的分辨率低，对底时给出的深度信息差，对流时表现为分层厚度大，这样一来在一定的深度范围内能给出的流层剖面就少，绘出的剖面图不够精细，而且流层厚度大，相邻层之间的干扰就多，估计出的速度信息的参考价值就不高。哈尔滨工程大学硕士学位论文速度估计的标准差CRAMERRAO界可用下面的方程近似叩；136SNR3_0SNR一2231盯，。Z刀_其中，吼表示速度的标准差，能够看出，小信噪比时，标准差随信噪比的二次方增长，大信噪比时趋近于常量。实际应用环境复杂，频偏估计的标准差远大于CRAMERRAO界。还可以看到，估计的标准差与脉冲长度R成反比，当R因要满足距离分辨率分层厚度而不得不选的较小时，要达到较小的测速误差，就需要用较长的时间做平均处理。312窄带脉冲串相干处理这一技术发射一系列短的相干脉冲申相位上具有一定连续性的脉冲，通过时域上的重复，将频谱离散化，那么在一定的范围内两个谱线之间，频谱分辨率将与长脉冲相同图32。图32脉冲串的频谱分析示意图在图32中，单个脉冲长度与图31中的短脉冲长度相同，脉冲串整体长度与图31中的长脉冲长度相同，那么，其频谱中单根谱线宽度就等于原长脉冲的谱线宽度，如果回波频移小于两根谱线的间隔这一间隔为两相邻脉冲之间距离的倒数，频移量就能被准确的估计出，但是当频移量超过这一范围时，出现频率估计模糊。理论发射信号通常发射信号接收脉冲对图33脉冲对的形成示意图在实际操作中，连续发射短脉冲对换能器设备机械特性要求高不容易做19哈尔滨工程人学硕士学位论文到，所以系统通常情况下还是发射连续的长脉冲保证原有距离分辨率、也保证了相位的连续性，只是在回波信号处理时通过合理的选择得到相干脉冲对图33所示，以此提高频率估计算法的性能。它牺牲了一定的频率估计的动态范围，也就是单次最大可测速度。313宽带编码脉冲串相干处理宽带编码脉冲串是在上技术的基础上发展起来的，这种系统采用编码脉冲作为发射信号，之所以称之为宽带，是由于信号的频谱相对于等长的CV,脉冲有一定的带宽，这是使用了相位编码调制产生的扩频现象图34。5I，几35X1矿。R_7百_05纠KJ。；】4OL如M盟DL，。OJ2535忙，付图34编码脉冲串的频谱分析示意图7位111序列对比图31可以发现，在相同的脉宽下，这一信号表现出了较大的时间带宽积，因此可以认为此种信号能够达到同时提高频率分辨率和距离分辨率的目的。将相位编码信号重复组合，则可以利用脉冲相干技术，此时，码元数又可认为是对应着估计的平均的次数，有多少码元相当于作了多少次平均与图32的信号比较。基于上述原因，发射重复的相位编码信号能够大幅提高速度测量的准确度，减少估计的标准差。宽带声学多普勒海流剖面仪相对窄带多普勒海流剖面仪主要提高了三种性能减少了速度估计的标准差减少了平均时间；具有更小的剖面厚度。已知的被广泛应用的相位编码信号是M序列编码，主要是因为这种编码的自相关性好。一个周期为丁的二进制矩形窗相位编码信号数学表达式可以表示为函瓣哈尔滨二程大学硕士学位论文FT剐R警户加2，月OV其中彳为信号的幅度，为一个码元的宽度ATR，N27一L为一个周期内码元的个数也称编码位数，刀0或万，为M序列的阶数，。那么其相关函数为RT42T一而NI巾酗3，一等，驯Q_1川经过分析可以得到这样的结论，相位编码信号的相关函数主峰宽度与长度为血的CW脉冲相同，相关峰高度与长度为丁的CW脉冲相同，也就是说这种编码信号具有与长度为血的CW脉冲相同的距离分辨率和与长度为丁的CW脉冲相同的工作深度。32编码信号仿真分析321编码信号的分析为验证实际系统发射信号的具体形式，同时也可直观的分析已有产品所采用的信号的特点，用实验的方法采集到一组RD公司的300KHZ产品的发射信号，采样频率2MHZ。分别设置仪器的工作模式为对底跟踪模式和搜索模式。对底跟踪时逐渐改变底深度，同一深度存储多组数据。表31不同深度的信号分析结果显示深度M发射信号长度MS码长重复周期MS次编码位数25L025313916404146346205O4156366287O4L76378932804186382369O41963分析数据。由于实验环境的信噪比大，采集到的信号波形完整，针对不21哈尔滨工程大学硕学位论文同深度的信号选取有效的数据段分别进行FFT和自相关运算，利用波形信息和相位编码信号的特点，分析确定出了编码的位数和细节。表32搜索状态时信号分析结果脉宽MS码长重复周期MS次编码位数O6O233108024631。640414633704196373804118631476O4136632952041726349204112063表32充分显示了ADCP对底搜索的过程，结合表31中的输出的底深度信息和对应的发射信号的长度，可将搜索底深的过程分为大范围初步搜索和小范围调整跟踪两个步骤，系统的控制过程描述如下步骤1进入大范围初步搜索状态。依次发射脉冲长度逐渐变大的脉冲信号，在对应的检测时间门内距离采集回波进行信号检波运算，超过门限则判定为检测到底存在然后进入步骤2，否则发射下一个长度的信号，用另一个时间门采集回波，循环发射，直到检测到底存在为止，若直没得到有效底回波，则搜索状态持续进行。系统处于搜索状态时不输出任何数据。步骤2小范围底跟踪调整。根据步骤L的检波结果输出底深度，同时根据深度信息确定下一次发射信号的精确长度和用于接收的时间门，选择有效回波信号数据，估计深度，估计频移，输出深度和速度等信息。重复步骤2，可得到稳定的底深度信息和速度信息。322编码信号形成这一步的目的是为后续仿真工作提供准确的信号数据。发射系统中心频率而为300KHZ，采用8阶M序列63位二进制相位编码，理论带宽为150KHZ，单脉冲周期为042MS，连续重复发射五个周期构成一次发射脉冲，发射脉冲坠至堡二坚查耋鎏当兰堡鎏兰总时长为2LMS。黼黼。删图35仿真信号和实验信号图35中的仿真信号为经过带通滤波器后的信号，从波形、频谱上看已经接近实验采集到的信号，那么在后续的仿真中尽量采用此种信号。编码信号的中心频率对应着工作范围，码元宽度对应着信号的带宽；编码类型和重复周期确定信号总长，此长度在对底时要根据底深度作调整，对流时对应着流层的深度码元宽度和编码类型确定的单个编码信号的脉宽是频率估计时的重要参数，直接影响频率估计的性能。通常情况下用矩形包络作为M序列的码元包络。将产生发射信号的程序模块化，入口参数有中心频率；采样频率；编码位数码元周期；重复次数；初始相位。那么，可以通过设置参数形成指定的信号。参数中使用码元周期而非码元宽度是为了在回波构造时能直接反映出多普勒脉冲压缩和扩展。323散射模型仿真时主要是用两种简单的散射模型构造回波。第一种假设发射信号严格按照射线声学传播，回波为单散射体散射回波。回波数据只包含由多普勒频移带来的变化。这个回波信号模型主要用来验证回波信号处理算法。第二种假设的模型略复杂些，考虑换能器波束角宽度对信号的影响。由于波束角有一定宽度，先到达海底的声线方位角小，多普勒频移较小；而后。至LF哈尔滨1二程大学硕士学位论文到达海底的声线方位角较大，多普勒频移较大。对应于回波信号表现为信号的前部频率较低，而后部频率较高。也就是说从声呐接收的海底回波是波束宽度内的一个海底区域所有散射点的回波叠加。一定体积的散射体对一脉冲信号的散射响应表现为个别散射的叠加P31，叠加后的散射响应，可描述为一个复杂的零均值高斯随机变量THERIAULT1986；VANTREES1971。这是假定在一个很小的范围内增加的所有散射体有同一相对径向速度一定范围内为常数多普勒频移。假设的第二种海底散射模型由很多个这样的小区域组成，这些区域回波的区别是含有不同的多普勒频移大小由声线方位角决定，回波到达接收器的时刻由传播路径决定，通过将这些信号在有效的回波接收时间内叠加形成较为合理的回波信号。也就是说将海底抽象化为许多散射点，这样抽象的前提是1划分后散射单元区域甚小，每一区域的体积与信号传播的距离比微D,N可简化为一个点。2任一瞬间，海底某一区域内包含的散射体是均匀分布的。3海水介质均匀，信号只沿直线传播，在一次信号收发时间内忽略海洋环境的时变性。4波束区域内无多次反射现象。5在波束宽度照射内的所有底回波对水听器都有贡献。此模型并没有精确的仿真海底散射环境，而只是定性的反映出回波频率的变化趋势和整体包络趋势。这样做的目的是能够将变量振幅、频率分离开来。保持其中一个不变，通过统计能够比较明显的反映出另一个变量对算法的影响。变振幅，考察信噪比的影响；变频产生不同的径向速度。那么，利用这一模型的回波信号就可以表达为Z，X心A，SIN2XFO厶，J够34其中，AJ为第I个小散射区的散射回波的幅度，不同的散射区散射的回波幅度呈随机高斯分布，仍为第I个小散射区的散射回波的附加相位，用一个随机相位表示。哈尔滨T程大学硕士学位论文33对比与分析应用上面所建立的回波模型构造回波数据，分析频率估计与信号的关系。为了数据的可比性，保持编码信号和单频信号具有相同的中心频率相同的脉冲长度。33L回波信号首先建立这样一个月境，载体匀速运动，假设水深5M，信号为63位M序列，中心频率300KHZ，带宽150KHZ，总脉宽2LMS，应用模型二，丰J造回波。，I。_。，。L。溅驯山江二R一一OJ蚺“舅“曩UWHO44。”2”。，。”。图36深度5M时单频、编码信号的回波和频谱。嘲豳豳睁蚪J瑚嘲咖瑚脚旧嘲啪和瑚黼龋阿I娟湖黼捆跏一。懈悯徽滞黔JI一一I堕一、一KOOOO峰删黼嘲翮蜘乏1眵，。铆罐嗍鼢蝴淞1JOJJ里一IJ每瓣蝴蝴懈1二II；_高。删躺嘲鼬孵渊辆一图37深度依次增加5M的回波情况左为单频信号，右为编码信号哈尔滨工程大学硕十学位论文从图36可以看到，单频回波信号包络前后起伏严重，而编码信号毛刺众多。图37显示出深度增大时，回波的变化信号将波束角内所有区域同时全照亮的时间越来越少，单频信号表现为回波的平稳段减少直到没有，编码信号的这种不平稳表现并不明显。单频信号回波的这一趋势使得单次估计时可利用的有效样本数量减少，单次测量的偏差就较大，在大深度应用时要达到精度要求就需要较长的平均时间。编码信号目前来看只有信号拖长现象，整体包络上没有明显的起伏。332速度估计对比首先采用模型一对算法程序进行验证，然后加入随机白噪声，统计信噪比对频率估计转化为速度信息的影响，单频信号和编码信号均使用复相关频率估计法结合脉冲相干技术，设置相同的脉冲间隔。使用63位M序列编码信号。50坊_5循101520008006磊004002OX1矿V0MS。哆八、二、二，一，一彦班划、广，。、，一彳E一。RJ。PHASECODEDSIONAI。SINGLE4REQUENCESIGNAL0510152025303540KJ瓠PHASE_CODEDSIGNAL一。一一。SINGLEFREQUENCESIGNALL吨飞，F、K、0510152025303540SNRDB图38无频移时噪声对估计结果的影响图38为无多普勒频移时噪声对估计结果的影响，图中实线为编码信号估计偏差和标准差随信噪比的变化曲线，虚线为单频信号估计偏差和标准差随信噪比的变化曲线。偏差是在同一信噪比时估计000次做平均后的结果，哈尔滨工程大学硕士学位论文体现了系统稳定后的误差。标准差随信噪比的变化趋势与理论分析结果相同，在小信噪比时标准差随信噪比的二次方增长，大信噪比时趋近于常量。VLMS001O0Q500005O01旬015010O06口C0O040020癸淄V厂一，产M一一一I一O_一YLPHASECODEDSIGNALL一一SINGLEFREQUENCESIGNAL隧篓登兰至SNRDB图39水平速度IRRGS的时噪声对估计结果的影响图39为水平速度LMS时噪声对估计结果的影响，单频信号的偏差更小，原因是在应用复相关频率估计方法时宽带信号的跳相点处对估计结果是有影响的，这使整体平均结果出现一定的偏差。同时注意到，此图为单频信号脉冲长度与编码信号脉冲长度相同时的结果，即此时单频信号的距离分辨率仅为编码信号的163。如果保持单频信号与编码信号有相同的距离分辨率，单频信号一次估计可利用的样本数就减小到原有的163。采用模型二构造回波数据，估计结果如图310。图310与图39整体趋势相同，但单频信号估计偏差已经不J下确了，说明单频信号抗频率干扰的能力差，一旦数掘中含有某段有较大的频偏干扰的数据，频率估计就会受到较大影响。宽带编码信号由于频谱本身是中心对称的梳状谱且占有频带较宽，某根谱线出现分叉对整体平均影响不大，故性能表现比较稳定。27哈尔滨工程大学硕学位论文VLMS010黑0102030100勺004“FUJ口JJ圳O。SINGLEFREQUENCESIGNA