（机械电子工程专业论文）挖泥船用超声波测深仪研究.pdf

浙江人学颂l ：学位论文 摘要 挖泥船在疏浚过程中需要经常测量河道、湖泊等作业现场的深度，从而进 行挖泥船工作效果和工作量的评估。传统测深工具针对的主要是水域较清澈， 深度较大的测深环境，一般不大适用挖泥船的作业环境如深度较浅、水域较浑 浊和悬浮物众多等等。因此挖泥船作业水域测深，除了常舰的干扰外，还要考 虑另外两个因素，一个是水域混浊和悬浮物造成的假回波；一个是较浅水域造 成的多次回波以及较浅水域到深水域的适应性。总的来说挖泥船作业水域测深 不仅仅是抗干扰的问题，而且是真假回波的甄别问题。 目前市面尚无针对挖泥船以及类似工作环境而开发的测深仪。基于这一情 况，研究了挖泥船作业水域的水文特性和在各种特殊环境下回波的特性，针对 这些特性设计了相应的时间延迟估计算法，提出利用最小方差对回波进行甄别 的思想，通过考察回波包络与参考回波包络的相似度来确定真正的回波，该方 法有效地提高了挖泥船作业环境下深度测量的准确度和稳定度。最后课题进行 了超声波测深仪的设计，试验证明该测深仪器在挖泥船作业水域或者是类似水 域中有比较好的适应性。论文主要章节安排如下： 第一章论述了目自订国内外超声波测深技术的现状和发展，着重对挖泥船或 者是类似工作环境下超声波测深现状进行了考察。简要介绍了超声波时间延迟 估计的现有理论，初步分析了挖泥船作业水域的水文特点以及测深难点，同时 对挖泥船作业水域测深的现状进行阐述。 第二章论述了超声波的性质以及产生、超声波测深过程以及收发波的基本 特性，分析了挖泥船工作水域的水文特性以及该水域的特殊情况对超声波测深 的影响，最后根据前面分析给出了测深仪的总体设计。 第三章从现有时间延迟估计理论的优劣出发，详细地论述了自适应时间延 迟估计理论以及其在挖泥船作业水域进行时间延迟估计的优势。在分析了挖泥 船工作环境以及自身特点的情况下，设计了适合本课题的自适应时间延迟估计 算法。为了形象地验证算法的效果，进行了相应的仿真。 第四章讲述了挖泥船用超声波测深系统的硬件设计，详细阐述了收发电路、 控制电路的组成、设计、作用以及电气系统的防干扰处理。 第五章对本系统的软件进行了设计，对该软件进行了功能模块设计，其中 特别详细的介绍了算法的实现。为了进一步加强系统抗干扰能力，在软件上进 行了抗干扰设计。 第六章，利用本课题设计的测深算法和常规测深方法进行对比试验，验证 了该测深仪器在挖泥船作业水域的可靠性。 第七章对研究工作进行总结，提出自己的进一步想法。 关键词：超声波测深、挖泥船、信道均衡、时延估计、单片机 浙江大学硕士学位论文 一一_ _ 一一，_j一 a b s t r a c t d u r i n gt h ed r e d g i n g ，d r e d g e r sm u s ta l w a y sm e a s u r et h ed e p t ho fw o r kf i e l d s s u c ha sr i v e r sa n dl a k e st os e et h ee f f e c to ft h ed r e d g i n ga n dt of i g u r eo u tt h e w o r k l o a dw h i c hs t a n d sf o rt h es u l l a g er e m o v e db yt h ed r e d g e r s t h et r a d i t i o n a l d e p t hs o u n d e ri sm a i n l ya i m e da t w o r kf i e l d sc h a r a c t e r i z e db yb i gd e p t ha n d r e l a t i v e l yc l e a nw a t e r h o w e v e rt h ew o r kf i e l d s o fd r e d g e r sm a r k e db ys h a l l o w w a t e r , t u r b i d i t y a n ds u b m e r g e df l o a t i n gm i s c e l l a n yi s n o ti n c l u d e d d e p t h m e a s u r e m e n ti nt h ed r e d g e r sw o r k i n gf i e l di sn o tj u s tap r o b l e mo fa n t i - i n t e r f e r e n c e ； t h et r u e e c h o p i c k i n gi st h ek e yp o i n tw h i c hi sc a u s e db yt w of a c t o r sf o l l o w i n ga s b e l o w f i r s tf a k ee c h op r o d u c e db yt h et u r b i d i t ya n ds u b m e r g e df l o a t i n g s e c o n d m u l t i e c h oc a u s e db yt h es h a l l o ww a t e ra n dt h ec o n v e r s i o nb e t w e e nt h eb 远d e p t h w a t e ra n dt h es h a l l o ww a t e r a n dt h e r ei sn os u c had e p t hs o u n d e ra i ma tw o r kf i e l d so fd r e d g e ro rt h e s i m i l a re n v i r o n m e n t f o rt h i sd e m a n d ，ad e p t hs o u n d e rt a r g e ta tt h ed r e d g e r sw o r k f i e l do rs i m i l a re n v i r o n m e n ti sd e s i g n e dm a i n l yc o n s i d e r i n gt h ef l u c t u a t i o n ，t h e t i m e v a r y i n go ft h ec h a n n e la n ds o m es p e c i f i cc o n d i t i o n s t h ef e a t u r eo f w a t e ri n t h ed r e d g e r sw o r k i n gf i e l da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee c h oh a sb e e nc a r e f u l l y s t u d i e di n t h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h i sf e a t u r e ，at i m e d e l a ye s t i m a t i o na l g o r i t h m h a sb e e nd e s i g n e du s i n gt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ne n v e l o p e so fe c h oa n ds t a n d a r d e c h o w h i c hh i g h l yr a i s e st h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t y e x p e r i m e n t sc a r r i e do u ti nt h e t h e s i sh a v ep r o v e dt h ee f f e c to ft h ea l g o r i t h m ，w h i c hs h o w st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e a l g o r i t h mi nt h ed r e d g e r sw o r k i n g f i e l d t h i st h e s i sc o n s i s t so fs e v e nc h a p t e r s c h a p t e r1m a i n l yr e p r e s e n t st h ec u r r e n ts t a t u so fu l t r a s o n i cd e p t hm e a s u r e a n d d e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yt h ed r e d g e r - u s i n gu l t r a s o n i cd e p t hm e a s u r eo rt h es i m i l a r c o n d i t i o n s ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h et i m e d e l a yt e c h n o l o g y ，t h ec h a r a c t e ro ft h e w o r k i n gf i e l d ，d i f f i c u l t yi nt h ed e p t hm e a s u r e m e n to ft h ed r e d g e r sw o r k i n gf i e l d a n dt h ec u r r e n ts t a t u so fd r e d g e r u s i n gd e p t hs o u n d e ri n c l u d e d c h a p t e r2t h ec h a r a c t e ro fu l t r a s o n i c ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo f u l t r a s o n i cd e p t h m e a s u r ea n dt h es p e c i a l t yo fd r e d g e r - u s i n gu l t r a s o n i cd e p t hm e a s u r ei sd i s c u s s e di n d e t a i la n dt h es t r u c t u r eo ft h ed e p t hs o u n d e rh a sb e e ng i v e no u t c h a p t e r3d i s c u s s e st h et i m e d e l a ya l g o r i t h m o ft h eu l t r a s o n i cm e a s u r e c o n s i d e r i n gt h ef l u c t u a t i o na n ds o m es p e c i f i cc o n d i t i o n si nt h ew o r k f i e l do fd r e d g e r s o m es i m u l a t i o n sh a v e b e e n d o n et ov i s u a l i z et h ee f f e c to ft h ea l g o r i t h m c h a p t e r4r e p r e s e n t st h es t r u c t u r eo fh a r d w a r eo fu l t r a s o n i cd e p t hm e a s u r e 浙江大学硕士学位论文 s y s t e mi n c l u d i n gu l t r a s o n i cl a u n c h i n ga n dp i c k i n gc i r c u i t ，c o n t r o l l i n gc i r c u i ta n d a n t i - n o i s em e a s u r e s a n t i n t e r f e r e n c ei ne l e c t r i ch a sb e e nd o n et or e i n f o r c es t a b i l i t y o ft h ed e p t hs o u n d e r c h a p t e r5r e p r e s e n t st h es t r u c t u r eo fs o f t w a r e ，r e a l i z a t i o no ft h es u b - m o d u l e a n dt h ec o r r e l a t i o no ft h o s em o d u l e s s o m em e a s u r e m e n th a sb e e nt a k e ni nt h e s o f t w a r et oe n h a n c et h ea n t i n t e r f e r e n c e c h a p t e r6i n c l u d e ss o m ee x p e r i m e n tr e s u l ta n dt h ea n a l y s i so ft h er e s u l tw h i c h w e r ed o n et op r o v et h ee f f e c to ft h ed e s i g n c h a p t e r7g i v e st h ec o n c l u s i o no ft h ew o r k ，s o m ea d v i c ef o rt h ef u r t h e rw o r k i n c l u d e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cd e p t hm e a s u r e ，d r e d g e r , c h a n n e le q u a l i z a t i o n ，t i m e d e l a ye s t i m a t i o n ，s i n g l ec h i p s e t 学号一2 0 6 0 8 1 1 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 躲谕仕吼冲川月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 日 学位论文作糍= 砖绰罨 签字日期：枷。艿年石月“日 导师签名： 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：深圳迈瑞医疗电子股份有限公司 电话：1 3 6 5 6 8 1 0 0 8 2 通讯地址：深圳市南山区高新技术产业园科技南十二路迈瑞大厦( 5 1 8 0 5 7 ) 浙江大学硕十学位论文 第1 章综述 1 1 常规超声波测深的现状和发展 超声波测深作为一种非接触测量方式，有着很多其他测深方式无可比拟 的优点，其应用相当的广泛。超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信 息处理简单可靠，易于小型化与集成化。正是因为有上述各种优点，超声波 测深作为非接触检测手段，越来越受到重视。超声波测深是利用超声波在探 头与目标之间的传播时间来计算目标的深度的。在这里把超声波从超射波探 头到目标，再从目标到探头的传播时间定义为渡越时间，也称作时间延迟。 超声波在深度测量时关键技术就是度越时问的估计，渡越时间的精度以及准 确度直接关系到超声波测深的精确度和准确度。所以说超声波测深的核心技 术就是渡越时间按的估计，这些核心技术在硬件和软件上都有体现。国内外 针对超声波测深提出了各具特色的理论，总的来说可以分成两类，常规的时 间延迟方法和自适应时问延迟方法。 1 1 1 超声波测深硬件发展 超声波的硬件设计相对比较稳定，变化不大。在功能上大的可以分成超声 波发射模块、回波接收模块和数据处理三大模块。在具体实现每个模块的功能 的时候可以根就实际情况进行选择和设计，下面对这三个模块进行分别论述。 1 、超声波发射模块 超声波发射模块主要包括水声换能器( 基阵) 和水声发射机两部分，水声发 射机细分可以分成可控震荡源、信号调理以及放大电路和负载阻抗匹配模块。 水声发射机( 简称发射机) 是超声波测深仪必不可少的主要组成部分之一。它的 任务是产生具有一定工作频率、一定脉冲功率、一定脉宽、一定脉冲重复频率 的超声频电信号，供给换能器发射信号。水深测量的仪器的发射机大部分采用 脉冲调制波，也有少数采用连续波( 如m 波) 。 根据不同用途，发射功率可以小至几瓦或几十瓦，大至上千瓦或者几十千 瓦。目前小功率的发射机几乎都采用全晶体电路，中功率和大功率的发射机个 别有采用电子管和晶体管混合的电路。现己出现可达近千瓦脉冲功率输出的晶 体管，用全晶体管作中、大功率发射机的输出级已经问世，必将取代混合电路。 除了用晶体管作功率输出级外，在工作频率约2 0 k h s 以下的发射机中，也有采 用可控硅逆变器作功率输出级。本课题测深属于小功率范围，主要考察由晶体 管构成的有关发射电路。 超声波测深用的换能器( 或基阵) 通常是收发兼用的。为了使发射机相接收 机都能正常工作，互不影响，广泛采用了不同形式的收发转换电路。这种电路 具有结构简单、重量轻、成本低等优点。 一1 一 浙江大学硕士学位论文 超声波振荡源一般可以用模拟电路产生或者是用数字电路产生。模拟电路 可以是采用电感三点式或电容三点式的震荡电路，在要求较高的频率稳定度时， 可采用晶体振荡器；用数字电路产生发射波是利用数字电路构成信号发生器， 它具有频率稳定度和准确度高、发射信号的初始相位易得到精确控制以及线路 简单等优点。一般是首先计算出j 下弦波形的各相位点上的正弦幅值，存入只读 存贮器，然后按定时间规律读出，经d 臆变换器转换成模拟量，再通过运算 放大器、平滑滤波器输出所需的连续j 下弦波信号。 信号调理可以用集成放大器器也可以用分离元件，对于功率放大般常用 功率放大管，如利用音频功率放大器进行放大。 阻抗匹配目的是使末级功放获得最佳负载，需作二步工作：首先对换能器 的等效静态电抗进行配谐，使换能器在谐振频率时等于一个纯阻；第二步通过 设计输出变压器，再将该纯阻的阻值折算到变压器初级后等于发射机术级所要 求的负载电阻，达到阻抗匹配的目的。 2 、回波接受模块 回波接受模块通常由水声换能器( 基阵) 、水声接收机和终端指示装置组成。 回波接收模块是整个接收系统的检测中心，它对接收到并混在干扰背景中微弱 的目标回波进行选择、放大、变换和加工处理( 如提取回波包络、形成回波提 示电平) 。回波信号一般都是微伏级，它受发射功率、指向特性、距离远近及传 播介质等因素的影响。 回波接收模块要完成以下的任务：接收本设备发射的、并被目标反射回来 的微弱的回波信号；从干扰背景( 如噪声、混响) 中选出所需的回波信号；把微 弱的鱼群回波信号放大到足够大，并加工处理成指示装置所需的相应的电信号。 回波接收模块是超声波测深仪的主要组成部分，衡量其质量的好坏，就看完成 上述任务的能力。 近年来，随着微电子学、数字电路及微机技术的发展和应用，水声技术也 发展甚快，对接收信号的加工处理以转移到处理器上去实现，从而也使接收机 的任务更加明确，就是获得回波的波形。 回波接收模块的核心就是选频放大，对回波的加工处理电路因为每个人思 路不一样各有形式。根据对接收信号频率的变换方法不同，可分为直接放大式、 触发振荡式、反外差变频式等等形式，其主要技术指标包括，增益、灵敏度、 通频带和矩形系数( 频响曲线在o 7 1 7 处和0 1 出的带宽之比) ，性能参数的选 择和发射波的形状有着极大的关系。回波接受模块的电路设计有比较多成功典 型例子，我们可以借鉴参考。 3 、数据处理模块 数据处理模块可以简单可以很复杂，这取决于超声波测深所采用的数据处 理方法。有的仅仅是进行一些状态判断和过程控制，这部分可以很简单，如一 般的常用单片机就可以处理。有的数据处理模块比较的复杂，它要不但要负责 采集波形或者是回波的其他信息，还要进行些数字信号的处理。这要求数据 一2 一 浙江大学硕l 学位论文 处理模块要有比较强的数据采集能力和数据处理能力。能够胜任这方面的处理 器有数字信号处理器( d s p ) ，或者是利用处理能强大的微机如p c 或者是工控 机等等。 1 1 2 时间延迟估计 1 、常规时间延迟估计技术 在时间延迟估计技术中，人们容易想到的就是通过回波的幅值来判断回波 的到来，称之为阈值法。该方法中，阈值的设置是核心。有学者根据超声波的 传播过程中的衰减特性，提出了可变阈值测距原理。一次测量中发射两次波， 第一次发射波的反射波不作为测量回波，仅作为阈值建立回波，通过特殊电路 采集此次回波峰值最大值，并将此值乘上一比例因子保持到第二次回波作为比 较阈值。此方法的效果是相当于通过改变阈值来抵消超声波传播信道的时变与 起伏对其阈值判断的影响，提高了回波判断的准确性，具有较好的抗干扰性 1 1 。 前面阈值法甄别回波仅仅抓住了回波的幅值和频率特点，经常导致误判或 者是漏判，这主要是超声波传播信道的时变起伏与时变以及一些同频率噪声的 干扰影响的结果【2 1 ，这对幅值判别法的缺陷。由于测深回波和发射波相关性及 高，于是有了基于回波和发射波的相关性来进行时延估计。该方法是采集回波 信号，通过回波和发射波( 固定预存仔内存中) 相关函数最大值处求得时延估 计1 3 训。另外由于回波除了与发射波具有极高相关性之外还有包络缓慢起伏、窄 带等特性，因此导致其相关函数具有包络慢衰减并且在极值附近震荡特性。这 使得对相关函数极值的搜寻变得困难【引。人提出基于相关函数包络极值搜寻理 论，该理论减少了计算量，并可以比较准确快速的搜寻到相关函数的极值位置， 从而得到时f 日j 延迟的估计值1 6 j 。 因为超声波频率都相对较高，根据采样定理，可以知道其数据采集频率也 较高，特别是当测量距离比较的大的时候其数据量更始成倍增加。考虑到后面 有的处理方法要用到f f t 变换以及相关函数的计算，其计算量是相当大的1 7 j 。 这对于测深的实时性是很不利的，鉴于此有很多学者在减少研究两方面做了不 少的研究。有采用两次相关处理的，第一次为粗包络相关，确定出时问延迟的 大概位置，第二次为在第一次粗包络相关估计的时间延迟值赴京进行精包络相 关。此思想即保证了精度同时也极大地减少了数据计算量【8 。o 】；有利用遗传算 法的寻优能力强的特点进行了算法改造，极大地减少了时问延迟估计的计算量 1 1 5 】 0 为了提高超声波测距的精度，人们针对上述方法也做了比较多的探索。在阈 值判别系统中，人们普遍想到的是提高计时精度，这的确提高了测量的精度。由 于前面提到的各种原因，该措施还是有许多的不足f l l 】。于是人们在前面的基础上 提出了包络细化技术。通过搜索相关函数极值取得的时延估计精度受到采样频率 一3 一 浙江人学侦i j 学位论文 的限制当采样频率较低时，其时延估计精度也较低为了提高相关峰的分辨率， 通常要对相关峰进行插值计算f 1 9 1 。对于从采样频率为1 0 0k h z 得到的采样序列， 其相关函数相邻两点的间隔为1 0 u s 为了得到1 u s 的计算精度，可以进行1 0 倍插 值，如采用最小二乘法，或者三次样条插值。这增加了不少计算量，于是有人针 对低通信号提出了一种基于修正的线性调频变换( m o d i f i e dc h i r p zt r a n s f o r m ) 和 相关峰细化( f i n ei n t e r p o l a t i o no fc o r r e l a t i o np e a k ) 原理的精确时延估计快速算法； 也有针对超声回波信号的窄带特性，结合f i c p 原理和基于h i l b e r t 变换的相关函数 包络提取算法，提出了基于相关函数包络峰细化( f i n ei n t e r p o l a t i o no fc o r r e l a t i o n e n v e l o p ep e a k ) 原理的超声测距精细时延估计方法1 1 2 1 3 l 。 超声波测深一般采用单脉冲工作方式，因为反射、折射、干涉，衍射、散射 等原因使得能量不断的减少，最后导致信噪比极地，以致检测不出来【体1 5 】。在测 试距离方面，由于发射功率和成本的限制，有效测试距离一般较短，单依靠增加 发射功率来增加测试距离的空间有限，同时也增加了系统的盲区【”】；在测试精度 方面，测距精度主要取决于回波信号的脉冲宽度和信噪比，在一定信噪比情况下 仅靠增加前级放大电路的增益来改善测量精度也是有限的【2 0 】；在抗干扰方面，只 是靠接收前端的低噪声放大器和滤波电路是有限的，在很多工业环境下和多传感 器系统中的应用是受限制这一特点将使超声波测距测量范围受到极大的限制。为 了解决这一缺陷有人提出了伪随机码的概念，该技术最先是在雷达技术上使用 2 1 - 2 3 j 。伪随机码是一种用来逼近白噪声的码序列，它具有类似于白噪声的统计特 性。m 序列是其中的一种。 序列具有与随机噪声相似的尖锐自相关函数特性， 但是它并非真正随机，而是按一定的规律形式周期性变化的序列，可以人为地设 计、产生和复制，又被称作伪随机码。伪随机码( m 序列) 经调制和发射后，反射 回来的信号经接收机还原为m 序列，还原的m 序列再与本地m 序列进行相关判决。 当两者相同时，相关器有最大输出，这时通过比相器可确定两个m 序列的相位 差。由两个i l l 序列的相位差求得所需的渡越时间，即延迟时间，从而由渡越时间 乘以声波在空气中传播的速度得到所测距离。在该原理中，测量距离上限只和m 序列的周期有关系，其精度由码元宽度决定，并且最后是通过相关处理得出时间 延迟，所以有比较好的看干扰能力【2 4 。2 5 1 。 2 、自适应时间延迟估计 测深过程中，超声波水下传播信道的起伏与多途会使回波造成很多不可预 料的影响。( 这罩把测量水域本身的温度、盐度、密度等的不均匀性定义为信道 的起伏；把水域中存在不同边界，使得声波在水下传输受边界的限制而形成多 个传播路径称作多途。) 信道的起伏与多途会造成时延参数或接收信号的统计特 性随时间变化如时延真值随时间变化、表示接收信号的信噪比随时间变化、表 示接收信号的统计量( 例如均值、方差等) 随时| 、日j 变化1 3 3 。5 1 。回波的统计特性随 一4 一 浙江大学硕士学位论文 是时问变化，从而很难利用信号和噪声的先验知识。这就要求时延估计器不依 赖于这些先验知识的能力，并具有相应的跟踪能力，能随着时延的变化而不断 地修正自身的参数和时延估值1 3 9 删。针对水下测深的时变以及多因素限制特点， 人们发展了自适应系统。这些系统对信道有比较好的适应与补偿能力，也有比 较好的鲁棒性。 低信噪比环境下，采取措施抑制噪声或采用具有韧性的数据处理方法是非 常必要的。所以有人提出了在低信噪比下数据处理方法，如平滑相干变换 ( s c o t ) 加权广义相关处理【4 2 1 、相位变换加权广义相关处理法f 矧、最大似然 加权广义相关处理法、维纳加权广义相关处理法和e c k a r t 加权广义相关处理法， 可以在低信噪比下获得较好的时延估计结剁删。 在测量环境中存在周期性干扰时，时延估计性能一般都会大打折扣。针对 这个问题，自适应时延估计技术也有了比较好的解决方法。一种利用自适应滤 波器对含有干扰的接收信号进行预处理，然后再估计时问延迟；另一种利用自 适应滤波器的相位谱估计时延，抑制了周期性干扰的效应。这两种处理方法都 取得了比较广泛的使用，同时对抑制环境中的周期性干扰也取得比较满意的效 果f 4 5 4 6 1 。 在水下测深如被测目标的运动或信道特性的变化，会造成接收信号的统计 特性随时间变化如接收信号的信噪比随时间变化、接收信号的统计量( 例如均 值、方差等) 随时问变化1 4 7 】。针对这些变化有人提出将信噪比和时延解耦，信噪 比与时延参量的耦合是影响自适应时延估计器的跟踪能力的一个主要因素。设 法将这两个因素解耦，会有效地改善自适应时延估计器的收敛性能，其基本思 想是增加一级自适应调节的增益因子a ，与自适应滤波器的权矢量一起进行迭 代运算1 4 8 1 。采用这个自适应增益因子之后，与信噪比匹配的任务由增益因子a 来完成，而自适应滤波器的权矢量则只负责跟踪时间延迟。这样可以有效地改 善自适应时延估计器在低信噪比及时变环境下的跟踪能力【4 9 1 。 文献 5 0 1 提出广义相关加权的自适应时延估计，该方法除了加强了稳定性 外，还具有较高的估计精度和较快的收敛速度。这种性能的改善，是对接收信 号进行广义相关加权的结果。对信号进行广义相关加权，等效于加重了信号中 信噪比最高的频率分量在相关分析中的作用，相当于改善了信号的信噪比，因 此有助于时延估计的快速收敛。 文献1 5 1 提出频域自适应时延估计方法是用频域自适应滤波器对接收信号 进行处理并估计时间延迟。由于领域自适应滤波器采用快速傅里叶变换( f 网 将接收信号变换到频域，将时域的卷积运算转变为频域的乘积运算，可以大大 地减小计算量。另一方面，频域自适应滤波器的各个离散领点是互相独立的， 可以通过为每一特征值选择不同的增益系数而使自适应过程成为或接近于单模 一5 一 浙江大学硕士学位论文 式的。 为了减少度测深系统数据处理能力的要求以及提升系统得的实时性，对 l m s d e ( l e a s tm e a ns q u a r ed e l a y t i m ee s t i m a t i o n ) 加窗可以减少原处理方法的 9 0 的计算量【5 2 】。根据l m s d e 权值序列是s i n c ( ) 型函数，有文献提出了 s i n c ( ，) 约束型l m s d e 时间延迟估计方法，不但减少了计算量还加快了收敛 速度。 1 2 挖泥船用超声波测深现状 挖泥船作业水域具有一般水域的共同特点，如声速时变、信道起伏与多途、 目标反射特性差异大、水下混响及自然噪纠3 1 】等，但是同时挖泥船作业水域的 特殊之处也是不容忽视的。这些特殊之处对挖泥船用测深仪造成的影响也是不 可忽略的，有时候会造成测深仪无法正常工作。从实际工程经验也可得知，的 确实如此，很多按照常规方法设计的测深仪器拿到挖泥船上使用总是会出现各 种各样的问题，特别是在有效深度较小，水域环境恶劣的时候表现的尤为突出， 经常是测量结果跳动异常，深度不能被正确指示【3 2 】。 挖泥船按挖掘形式分为耙吸、绞吸、斗轮、链斗、吸扬、吸盘、抓斗、反 铲等多种船型。图1 1 是较常见的斗轮式挖泥船的结构图，图中斗轮将水底淤 泥切割下来和水混合在一起形成泥水混合物，泥水混合物被离心泥泵吸进输送 管道，然后被输送到淤泥收集地。挖泥船的工作过程可以看出，泥水的搅动是 不可避免的，而且有些挖泥现场还有水草、沉积物，在搅动情况下会形成各种 悬浮物。混浊与悬浮物某些情况下会反射发射波，该反射波和目标回波在频谱 组成是一样的，只是出现时问以及能量大小存在着区别。另外挖泥船工作的大 部分水域水深值一般很小，同时换能器的安装位置一般在水下和船底相平的位 置，如此一来换能器可能非常接近水底。此时的测深，有两个特点，其一换能 器近水底，有效深度非常的小，是近盲区工作情况；其二水底和挖泥船底构成 强反射面，容易形成多次回波，并且此处的回波和前面悬浮物造成的反射波具 有一样的特点，属于真假回波问题。鉴于此，挖泥船测深克定义为复杂干扰环 境下含有悬浮物混浊水域的近盲区水深测量【3 3 j 。这种情况下的水深测量，不但 是一个抗干扰和信噪比的问题，而且还有真假回波甄别的问题。 一6 一 浙江大学硕士学位论文 图1 - 1 挖泥船上作示意图 从前面超声波测深现状的介绍可以发现，前面所列举的各种时间延迟估计 技术主要目标是提高精度，增强抗干扰性，减少计算量。显然前面的很多原理 与技术可以给本课题各种启发，可以从中吸取很多有用的结论，但是仅仅用前 面的方法就像在工程实际应用中揭示的一样，并不能解决挖泥船作业水域深度 的测量。 国内挖泥船用测深仪的研究比较的少，也没有这方面的专门论述，目前查 阅到一篇专门针对挖泥船用测深仪论述的文章，作者萧解渝，隶属于长江重庆 航道工程局，文章主要介绍了该局针对国外挖泥船用测深仪的改进，并没有涉 及到改进的具体过程。国外荷兰疏浚制造业相对发达，挖泥船的监控系统也比 较的先进，一般都把测深仪器集成到挖泥船的监控系统中。总的来说，专门针 对挖泥船用测深仪而进行论述的资料相对较少，本课题从常规测深理论开始， 参考水声学中超声波的传播规律，最后结合挖泥船作业现场特点，希望能够博 采众技之长，解决挖泥船作业水域的测深问题。 1 3 论文选题的目的及内容 前面第一小节针对现有超声波测深技术的发展状况进行了一番考察，可以 知道尽管超声波测深的基本原理各不相同，但都是围绕时l 日j 延迟这一个关键量 的估计展开的。为了能够准确估计时间延迟，在不同的环境下，人们提出了各 有侧重点的估计技术和理论，在实验与实际应用中都获得了比较好的效果。第 二小节中指出因为挖泥船作业水域有着各种特殊的水文环境，这些导致常规的 测深仪器在使用过程中总是会有各种异常出现。j 下如该小节术尾所说，为了能 一7 一 浙江入学硕 ：学位论文 够更好的实现挖泥船作业水域的测深，本课题将从常规测深理论研究开始，参 考水声学中超声波的传播规律，结合挖泥船作业现场特点，最后博采众技之长， 解决挖泥船作业水域的测深问题。 本文研究了挖泥船工作水域测深的特殊性以及与之相适应的处理方法，力 求使该测深仪有更高的精度，更好的稳定性，同时拥有更好的交互界面和经济 性。该课题将从下面几个方面进行论述： 1 ) 超声波的测深基本原理，以及挖泥船超声波测深系统的特殊之处。 2 ) 研究超声波测深时间延迟估计技术，适合挖泥船作业水域的时间延迟 估计算法的设计。 3 ) 挖泥船超声波测深仪器的硬件设计。 4 ) 挖泥船用测深仪的软件设计，各个功能模块的描述和时间延迟估计算 法的实现。 5 ) 试验验证及数据分析。 一8 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章挖泥船用超声波测深仪的总体设计 2 1 超声波测深的基本原理 2 1 1 超声波的性质及产生 超声波是指频率满足一定要求的声波，一般规定为频率大于2 0 k h z 的声 波为超声波。超声波具有以下几个特点： 穿透性强：这是和其他如光、电磁波之类测量手段相比较而言的，超声波 作为测量媒介，具有不怕烟尘、颜色、电磁干扰、能够穿透有色物质等能力， 是作为水下测量的好选择。 指向性好：超声波与可听声波相比，可以获得比较好的指向性，并且频率 越高，换能器面发射面尺寸越大指向性越好。通过合理设计换能器和选择合适 的频率可以得到波速角很小的发射波，使测量过程中拥有更明确的目标分辨力。 反射性好：超声波的频率越高，分辨彼此相邻的物体或分界面的能力越高 而频率越低就有越多的能量进入到分界面的另一侧物质罩面【5 3 l 。 f 是超声波具有上述特性，所以水下测深经常采用超声波作为测量媒介。 超声波一般通过换能器来产生，换能器一般分成电气类和机械类。电气类 的有压电式、磁致伸缩式和电动式等等，机械类的有加尔统笛、液哨和气流旋 笛等。现在用的比较广泛的是压电式的，得益于现在工艺的改进压电式超声波 换能器不但频率稳定性以及强度方面都得到了很大的改善，成为现在的主流换 能器【5 4 】。换能器的主要性能指标是中心频率和最大发射功率，适当的频率和发 射功率才可能实现距离( 深度) 的测量。 2 1 2 超声波测深的过程 超声波测深的基本过程是探头发射超声波，超声波碰到被测目标反射回来， 探头接受到回波通过硬件与软件处理算出这中间这段时间。则被测目标到探头 这段距离等于超声波速度乘以该时间的一半。其公式如下： 。! c f ( 2 1 ) 2 式中：l 为被测目标到探头的距离 c 为声速 t 为超声波从探头到目标再到探头的传播时间 如果最终结果实需要得到水面到水底的距离即水深， 计算： h = l + s 一9 一 这可以通过下面公式 ( 2 2 ) 浙江大学硕十学位论文 式中：h 为水深即水面到水底的距离 l 换能器到水底的距离 s 换能器到水面的距离 s 的测量可以通过压力传感器( 测量水压) 来测量，只要知道压力传感器 和换能器之间的相对位置就可以换算出s 。 2 1 3 发射波特征 发射信号的波形对于探测深离，距离分辨力等指标都起着十分重要的影响， 目前，水下测深采用的比较多的是脉冲调制波。水声发射机大多采用脉冲调幅 波，如图4 _ 1 所示。 一j 乙z j z 二 川 喇r 蛾一烈广_ i黑 ； 川h 图2 - 1 发射波的形状及频率特性 从上图可看出，波形的包络是个矩形脉冲，脉宽为t ，周期为t ，其中的 载波是等幅的工作颇率为f 的信号。 理想的发射波形包络是矩形，但实际上是很难达到的，一般只是近似矩形， 它具有前沿上升时间，后沿下降时间及顶部有微小的摆动。在水声发射机中， 不同系统对脉冲宽度以及周期有不同的要求，挖泥船超声波测深系统中，由于 测量的深度不可能很大并且考虑混响的因素，脉冲宽度几百个微秒级，时间周 期即测量周期允许大些，如秒数量级，可以认为每次测量之间是相互独立的。 频谱分析可知，一个包络为矩形的单频填空等幅脉冲波，其绝大部分能量 是集中在厂n 附近的2 t 的频带内1 5 5 】，如图2 - 1 所示的矩形脉冲波，其绝大部分 能量集中在 的两个主瓣内。 发射频率是指矩形脉冲调制的超声频电信号的载波频率，它也是测深设备 的工作频率和换能器的机械谐振频率。发射频率是根据超声波测深设备的总体 论证和技术论证来确定的。发射频稳定度的高低对整机的正常工作有重大影响。 由于发射波使用矩形包络单频填空脉冲信号发射具有一定的频带宽，而接收机 都具有较窄的通频带。若发射机的频率不稳定，使接收信号的频率有可能超出 接收机设计的通频带范围，影响整机的正常工作【5 6 巧7 1 。 发射频率是根据探测对象、水况及减少干扰等原则来选择的。目前国内外 1 0 一 浙江大学硕士学位论文 有关技术规定，在1 0 - - - 5 0 0 k h z 频率之间，以适当间隔确定2 4 个频道的固定频 率称为标称工作频率，而且每个频道都有允许的上、下频偏范围这样做可以 减小各频道之间的相互干扰。习惯上把1 5 3 2 k h z ( 含1 5 、2 0 、2 4 、2 8 、3 2 k h z 五个频道) 称为低频段。该频段的声波衰减小、指向角大、探测范围宽；4 卜 8 0 k h z ( 含4 0 、4 5 、5 0 、6 0 、6 8 、7 5 k h z 六个频道) 是中频段；l ( k ) - - 2 3 0 k h z ( 含 1 0 0 、1 1 5 、1 3 0 、1 5 0 、1 8 0 、2 0 0 、2 3 0 k h ：七个频道1 居高频段，传播衰减大， 但反射损失小及分辨力高，因此适用于1 5 0 m 水深测深，其中2 0 0 k h z 频率广泛 使用；2 6 0 - - 4 6 0 k h z ( 含2 6 0 、3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 、4 6 0 k h z 五个频道) 为超高频段， 适合于5 0 m 水深内的浅水区使用，这个频段尚持开发利用。由上不难看出，目 前实际使用的发射频率多数选择在2 0 - - 2 0 0 k h z 范围【5 8 1 。在挖泥船测深系统中 因为挖泥船工作水域深度不可能太大，同时根据测深指向性及目标分辨能力强 的要求，结合了实际技术现状以及测深水域背景噪声的主要频带，一般采用 2 0 0 k h z 。 发射超声脉冲信号所持续的时间称为脉冲宽度。脉冲宽度r 的选择主要影 响到发射信号能量、混响强度、距离分辨力和盲区( 表示仪器设备检测目标的最 短距离或最小深度) 等。若适当增加脉宽t ，将增加发射能量，但t 增加使混响 强度增加，距离分辨能力变差和盲区增大。为了提高设备的分辨能力和减小育 区，宜选择较短的脉冲。例如，从最小探测距离s m i n 考虑，脉冲宽度t 应满足 下面公式： fs 2 s 。i 。c ( 2 3 ) 式中：t 为发射脉冲宽度 s m i j l 为测量盲区 c 为声速 在挖泥船测深过程中，因为深度是一个变化相对缓慢的过程，可以根据前 面测量的数值来实时地调整脉冲宽度，这样既可以保证信噪比还可以获得比较 小的盲区。 2 1 4 接收波特征 当系统接收脉冲时，接收系统在脉冲声压作用下，产生从静止状态到稳态 振动的过程，这是简谐力作用下的受迫振动。定义振动建立时间t 1 为正在建立 的振动幅值增长到稳态振动位移振幅的9 5 所经历的时问。一个典型的接收电 路所接收到的回波，是一个特定包络的单频率脉冲，其振动过程可分为三个阶 段：i 一振动的建立( t 1 为振动建立的时间) i i 一稳念振动，当已经达到稳 态在时刻内t 就不会衰减，直到脉冲结束后才衰减；i i i 一振动的衰减。该 回波波形具有以下三个特点：相近性，不同位置的回波信号波形相近；相关性， 1 1 浙江大学硕i ：学位论j 对同一装置和同一对象，超声回波信号随探测距离的改变只有强弱的变化，而 波形形状变化不大，换句话说，回波信号之问是密切相关的：窄带性，因为超 声回波信号是以探头