（水声工程专业论文）声学多普勒流速测量关键技术研究.pdf

- i 产 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e eo fd e n g r e s e a r c ho nt h e k e yt e c h n o l o g yo f a c o u s t i c d o p p l e rc u r r e n tv e l o c i t ym e a s u r e m e n t c a n d i d a t e ：l i ud e z h u s u p e r v is o r ：p r o f t i a nt a n 厂 a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g o _ s p e c i a l i t y ：u n d e r w a t e ra c o u s t i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：a p r i l ，2 0 1 0 d a t e o fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y j 一- j 、 久 产 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) ：享u 磐铬 日期：矽【o 年6 月1 7 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( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 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) ：享吧橹锈导师( 签字) ：彬馏 日期：纠b 年6 月f 7 日伽c o 年6 月f 日 j i 一 声学多普勒流速测量关键技术研究 摘要 声学多普勒流速剖面仪( a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r ，以下简 称为a d c p ) 是一种既可以测量相对水底速度，同时又可以兼顾测量相对水流 速度的声纳设备。a d c p 既可以用于舰船的定位导航，又可以广泛应用于海洋 及内陆河流的测流领域。作为一种测速仪器a d c p 在河流和海洋工程中得到了 越来越多的应用，对于声学多普勒测流技术的研究日益受到了人们的关注。 本文的主要工作是对声学多普勒测流过程中所涉及到的几个关键技术进行研 究，主要包括测流信号形式分析与回波建模、流速测量方式的差异与性能估 计、宽带束控技术以及换能器安装校准技术等。具体的研究内容和得到的结 果如下： ( 1 ) 基于分辨理论对发射信号形式进行了研究。分析了单载频矩形脉冲、 相干脉冲串和编码相干脉冲串等3 种信号形式在多普勒测流中的适用情况。 流速测量是指波束空间内大量散射体的多普勒频移信息的感知和处理，基于 此提出了旨在分析接收回波的波束散射模型，并对水底回波和流层回波进行 了仿真。与试验数据的分析对比结果说明了波束散射模型的正确性。以上的 工作为多普勒测流的性能评估打下了基础。 ( 2 ) 总结了多普勒流速测量的三种方式，即非相干、相干和宽带方式。 可以看到，非相干方式适合于层厚要求不高以及大作用距离的测流应用场合； 相干方式适合于浅水高分辨的测流应用场合；宽带方式则集中了两者的优点， 它可看成是非相干方式与相干方式的结合体。以建立的波束散射模型和快速 灵活的复自相关方法为基础，对不同的测流方式进行了仿真统计，结果表明： 非相干方式的标准误差在几十厘米秒；相干方式的测速标准误差可以达到毫 米秒的量级；而宽带方式的标准误差可以达到几厘米秒的量级。相比于非 相干方式，宽带方式由于增大了信号时宽带宽乘积而使得测流精度得到了改 整 日o ( 3 ) 研究了束控技术。可以看到相移束控技术利用了窄带信号的周期性， 此时窄带信号的相移等效为声程差对应的时间延迟。当涉及到宽带信号时， 相移束控展宽了束宽且产生了信号失真。针对于此提出了宽带信号时延束控 i i i - ， 产 a bs t r a c t a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r ( a d c p 、i ss o n a re q u i p m e n t i t c a l lm e a s u r e b o mt l l eb o t t o mv e l o c i t ya n dt h ec u r r e n tv e l o c i t y a d c pc a nb eu s e df o rs h i p p o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o n ；i tc a n a l s ob ew i d e l ya p p l i e dt om a r i n ea n di n l a n df i v e r m e a s u r e m e n t a sa i li n s t r u m e n to fv e l o c i t ym e 龇e m e n t ，a d c ph a sb e e na p p l i e d m o r ea 】：1 dm o r et ot h ef i v e ra n dm a r i n ee n g i n e e r i n g ，a n dt h er e s e a r c ho nt e c h n o l o g y o fa d c pa r o u s ep e o p l e sa t t e n t i o nf o ri n c r e a s i n g l y t h em a j o r w o r ko f t h i sp a p e ri s t or e s e a r c hs e v e r a l k e yt e c h n o l o g i e s o fa c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tv e l o c i t y m e a s u 】汜m e n t i n c l u d i n g t h es i g n a la n a l y s i sa n dm o d e l i n g ；c u r r e n tv e l o c i t y m e a s u r e m e n tm o d e sa n dp e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e s i ne s t i m a t e s ；b r o a d b a n d b e a m f o r m i n gt e c h n o l o g y ；a n dc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yo ft r a n s d u c e r i n s t a l l a t i o n e r r o r s p e c i f i cc o n t e n t sa n d t h er e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： f1 ) t r a n s m i ts i g n a li ss t u d i e db a s e do nt h et a r g e tr e s o l u t i o nt h e o r y a n a l y z e t h r e ek i n d so fs i g n a l ss u c ha ss i n g l ec wp u l s e ，c o h e r e n tp u l s et r a i na n dc o h e r e n t c o d i n gp u l s et r a i ni nt h ef o r mo ft h ea p p l i c a t i o ni n t h ea d c p d o p p l e rs h i f t m e a s u r e m e n t sa r es c a t t e r i n gi n s i d et h eb e a ms p a c e ，b a s e do nt h i sf a c tt h eb e a m s c a t t e r i n gm o d e li sp r o p o s e d ，a n dt h eb o t t o me c h oa n dt h es t r a t o s p h e r i ce c h oa r e s i m u l a t e d c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a , r e s u l t ss h o w t h ec o l l r e c m e s so f t h eb e 龇ns c a t t e r i n gm o d e l ，a n dt h i si sr e a d yf o rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fa d c p f 2 ) t h r e ec u r r e n tv e l o c i t ym e a s u r e m e n tm o d e sa r es u m m a r i z e d , n a m e l y i n c o h e r e n t c o h e r e n ta n db r o a d b a n d g e n e r a l l y ，i n c o h e r e n tm o d ei s s u i tf o rl o w s p a t i a lr e s o l u t i o na n dl a r g er a n g eo fm e a s l l r e m e n ta p p l i c a t i o n s ；c o h e r e n tm o d e i s s u i tf o rs h a l l o ww a t e ra n dh i g h r e s o l u t i o na p p l i c a t i o n s ；a n db r o a d b a n d m o d ef o c u s o nt h ea d v a n t a g e so ft h ei n c o h e r e n ta n dt h ec o h e r e n tm o d e ，i tc a nb et h o u g h t a sa c o m b i n a t i o no fa b o v et w om o d e s b a s e do nt h eb e a ms c a t t e r i n gm o d e la n dt h e c o m p l e xa u t o c o r r e l a t i o na l g o r i t h m ，t h r e em o d e sa r e s i m u l a t e d s t a t i s t i c sr e s u l t s s h o wt h a t ：t h es t a n d a r de r r o ro ft h ei n c o h e r e n tm o d ei si no r d e ro fe r a s ；s t a n d a r d e n o ro ft h ec o h e r e n tm o d ec a nb ea t t a i n e da f e wm m s ；a n ds t a n d a r de r r o ro ft h e i i i b o t hn a r r o w b a n da n d b r o a d b a n ds i g n a l s ，w h i c hm a k e si tp o s s i b l et ou s e b e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yt ob r o a d b a n ds i g n a lt r a n s c e i v e r ( 4 ) t r a n s d u c e ri n s t a l l a t i o ne r r o rc a l i b r a t i o n i sr e s e a r c h e d u s i n ga d c p b o t t o mv e l o c i t yd a t a , a t t i t u d ed a t aa n dd g p sd a t a , l e a s ts q u a r e sm e t h o di s p r o p o s e dt ot h ea c o u s t i ct r a n s d u c e rc a l i b r a t i o no f t h et h r e ed i m e n s i o n a li n s t a l l a t i o n e r r o r s ，a n dc o m p l e t ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e r si se s t a b l i s h e d i tc a nb e s e e nt h a tt h r e ei n s t a l l a t i o na n g l ew o r ka sr o t a t i o nm a t r i x ，t h e r ei sn on e e dt os o l v e d s p e c i f i ca n g l e s ，b u tm a d e t h er o t a t i o nm a t r i xa sad i r e c ts o l u t i o nf o rd e a dr e c k o n i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el e a s ts q u a r e sm e t h o dg r e a t l yr e d u c e ss y s t e m a t i ce r r o rd u e t ot h et r a n s d u c e ri n s t a l l a t i o n , a n ds i g n i f i c a n t l yi m p r o v e sc u r r e n tm e a s u r e m e n t a c c u r a c y k e y w o r d s ：a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r ；b e a ms c a t t e r i n gm o d e l ；b r o a d b a n d ； c o m p l e xa u t o c o r r e l a t i o na l g o r i t h m ；d e l a yb e a m f o r m i n g ；c a l i b r a t i o no f i n s t a l l a t i o ne r r o r i v 声学多普勒流速测帚关键技术研究 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 论文背景和意义1 1 3 多普勒测流的研究概况4 1 3 1 国外研究概况4 1 3 2 国内研究概况”7 1 4 多普勒测流的关键技术8 1 4 1 信号设计与散射模型研究”9 1 4 2 回波信号处理算法研究1 0 1 4 3 换能器配置与束控实现1 1 1 5 本文研究的内容”1 3 第2 章测流原理与误差分析15 2 1 引言15 2 2 多普勒测速原理”1 5 2 2 1 多普勒效应1 5 2 2 2 多普勒测流公式1 7 2 3 多普勒测流的局限”18 2 3 1 对流分层1 8 2 3 2 对底跟踪1 9 2 3 3 盲区与旁瓣2 1 2 4 换能器阵型与坐标转换”2 2 2 4 1j a n u s 阵型结构2 2 2 4 2 基阵坐标系下的流速”2 3 2 4 3 大地坐标系下的流速2 4 2 5 流速测量的误差分析”2 6 2 5 1 径向测流误差分析2 6 2 5 2 总体测流误差分析2 9 2 5 3 测流误差仿真分析3 0 2 6 本章小结3 3 第3 章测流信号分析与回波建模3 4 v 哈尔滨丁程大学博十学位论文 3 1 引言” 3 2 发射信号分析” 3 2 1 大时宽带宽乘积信号 3 2 2 目标分辨与模糊函数 3 2 3 信号形式分析“ 3 3 回波建模” 3 3 1 波束散射模型 3 3 2 水底回波的建模 3 3 3 流层回波的建模 3 3 4 距离分析与示例 3 4 回波仿真与验证 3 4 1 水底回波情况 3 4 2 流层回波情况 3 5 本章小结”5 6 第4 章流速测量方式与性能估计5 7 4 1 引言“5 7 4 2 复自相关算法5 7 4 2 1 估计算法简述5 7 4 2 2 复自相关算法5 8 4 3 非相干与相干测流方式6 1 4 3 1 非相干测流方式6 1 4 3 2 相干测流方式6 4 4 4 宽带测流方式6 7 4 4 1 宽带测流方式6 7 4 4 2 编码形式与参数选取6 9 4 4 3 测速模糊与解决途径7 0 4 5 多普勒测流性能仿真7 2 4 5 1 相干方式性能仿真7 3 4 5 2 窄带与宽带方式性能比较7 4 4 6 本章小结”7 8 第5 章束控技术与安装误差校准7 9 5 1 引言7 9 5 2 换能器束控技术7 9 v i 一 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 1 3 蜀【谢1 1 4 v i i 哈尔滨下程大学博+ 学位论文 v i i i r l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 测速声纳一般用于声纳载体本身相对于水底速度的测量，典型的测速声 纳是声学多普勒计程仪( a c o u s t i cd o p p l e rl o g ，以下简称为d v l ) 。利用 测速声纳还可以进一步对海流进行测量，这是测速声纳应用范围的一个拓展 方向。本论文所关注的声学多普勒流速剖面仪( a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n t p r o f i l e r ，以下简称为a d c p ) 正是这样一种既测量水底速度，同时又兼顾测 量海流速度的声纳设备。a d c p 既可以用于舰船的定位导航，又可以广泛应用 于海洋及内陆河流的测流领域。从这个意义上讲，a d c p 扩展了传统的d v l 的 应用范围，使用较d v l 也更加灵活。以a d c p 研发为背景，关于声学多普勒流 速测量技术的研究日益受到了人们的关注。 本章要阐述本论文的立题意义，介绍国内外多普勒测流的发展概况和研 究的关键技术，另外还要对本论文的主要研究内容进行说明。 1 2 论文背景和意义 a d c p 是一种根据水声多普勒原理研制的新型测速声纳，它主要用来遥测 较大范围内的海流速度。本论文正是以a d c p 设备研发为背景，主要是对声学 多普勒流速测量的相关关键技术进行研究。 试验证明瞻1 海水中存在大量的散射体，诸如微小粒子、浮游生物及气泡 等，它们随海水流动。这些散射体和海水是融为体的，它们的速度即代表 了海流的速度。在这个前提之下，作为一种主动声呐的a d c p 向海水中发射声 波，经过上述散射体对声波进行散射，a d c p 再对回波信号进行接收和处理。 根据多普勒原理，由于a d c p 和散射体之间存在相对运动，发射声波与散射回 波频率之间就存在一个多普勒频率。通过测量这个多普勒频率就可以直接解 算出a d c p 和散射体的相对速度。如果将海流分为若干层，通过测量就可以得 到海流各层相对a d c p 的流速剖面。 海流相对于大地绝对速度的获得，还需要知道a d c p 设备本身的速度。 哈尔滨t 程大学博+ 学位论文 a d c p 不仅能够测量一定范围内相对海流的速度，作为测速声纳的a d c p 还能 够像传统d v l 一样测量相对水底的速度。这是通过a d c p 主动发射声波、经过 水底散射体散射、以及对水底回波信号的接收与处理来实现的。即使由于水 底过深等原因相对水底速度无法获得，a d c p 也可以利用g p s 等其它仪器的辅 助来为a d c p 设备本身进行定位和测速。以上论述说明，a d c p 相对于水底速 度与相对于海流速度都可以获得。再经过对两者进行作差，就可以得到海流 相对水底的绝对速度。经过与其它水流测量仪器的比较可知，a d c p 对流场不 产生任何扰动且不存在机械惯性，因此可以更加真实地反映流场情况。 基于a d c p 设备所进行的多普勒测流技术研究具有重要的意义，突出表现 在多普勒流速测量具有广阔的应用前景和促进相关学科的发展与成熟这两个 方面： ( 1 ) 多普勒流速测量具有广阔的应用前景 a d c p 可以同d v l 一样，利用多普勒测量得到的相对水底速度进行水声定 位导航。典型的应用领域口1 有：水面舰船；自主式水下平台( a u v ) ；拖曳系统； 潜水者手持系统；水下潜艇以及遥控操作平台( r o v ) ，如图1 1 所示。 一二彝髫 图1 1d v l 的典型应用 f i 9 1 1a p p l i c a t i o no fd v ls y s t e m 利用a d c p 测量的海流速度信息在很多海洋应用领域中不可或缺h 1 。在深 海，油气矿产开发、生物环境观察、洋流科学考察与水下潜艇作战都离不开 海流速度信息的支持；在近海，波浪长期观测、渔业养殖管理、海上交通安 全、水底管道铺设、海岸工程建设与近海环境监测同样需要以海流的速度作 为参考信息。 不仅是海洋应用领域，利用a d c p 还可测量河流湖泊的流速，从而可以满 足内陆地区流速流量测量的需求。河流湖泊的流速测量的具体应用主要在淡 2 第1 章绪论 水渔业研究、河流水文研究、河流航道安全、水渠河道流量监测、桥梁冲刷 测量以及洪水预警等方面。图1 2 给出了t e l e d y n er d i 公司所推出a d c p 产 品的一些典型应用瞄1 。 ( 2 ) 多普勒流速测量促进了相关学科的发展和成熟 多普勒流速测量作为水声技术的一个典型应用，融合了水声物理、水声 换能器设计、电子技术和信号处理等多个相关学科。多普勒流速测量为这些 相关学科提供了一个良好的综合应用平台，以用于观察新现象，尝试新方法 和验证新理论。多普勒测流技术的深入研究和有关问题的逐步解决，最终会 使得这些相关学科加快发展步伐和进一步走向成熟。 鹪彩产，蔓、， ：” 嘞 盔蓝敌 图1 2 多普勒流速测量的几个典型应用 ( 深海油气开发、港口监测与领航、近海波浪观测、河道流量监测) f i 9 1 2a p p l i c a t i o n so fa c o u s t i cd o p p l e rc m t e n tv e l o c i t ym e a s u r e m e n t ( o i la n dg a se x p l o r e ；e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g 。p i l o t i n g d o c k i n g ； w a v eo b s e r v a t i o n ；r i v e rd i s c h a r g en e a s t m e m e n t ) 彩， 劳貔彩，彰缓缀缴驻貉缓缓缀彩爹。；膨 哈尔滨工程大学博十学位论文 1 3 多普勒测流的研究概况 利用多普勒效应进行流速测量的研究是从上世纪6 0 年代初期开始的，在 这里介绍多普勒流速测量的国内外研究概况。从中可以对多普勒测流的仪器 和技术发展情况有一个整体的了解。值得注意的是，流速测量的应用需求推 动了多普勒测流技术的深入研究，同时多普勒测流技术的进步也使得测流的 应用朝着多功能、多用途的方向发展。 1 3 1 国外研究概况 6 0 年代初期，美国佛罗里达迈阿密大学海洋实验室k o c z y 与k r o n e n g o l d 1 等人和a i r p a x 电子公司的v l a s a k 口1 等人首先开始了声学多普勒测流技术的研 究。s q u i e r 陋1 报道t a i r p a x 雌；普勒流速仪的研究应用结果。1 9 6 8 年，乔治 华盛顿大学v l a s a k 的报道说明，多普勒流速测量仍是需要深入研究的复杂仪 器。1 9 6 9 至u 1 9 7 0 年之间，美国马里亚纳州白橡树海军武器实验室继k r o n e n g o 1 d 之后也进行了一些仪器设计的试验。 7 0 年代初期，中大洋动力学试验( m o d e ) 中采用的是萨沃纽斯转子海流 计，因转子无法准确响应海洋上层动力学特性，致使测量数据受到了严重干 扰。这是加速寻找海洋测流应用中快速响应传感器的实际动因。由美国国家 数据支持计划( n d b p ) 支持，e d ow e s t e m 公司将他们的计程仪应用于流速仪 的配置研究，获得了适用较好的结论。与此同时q 】e s a 雎岫m y 研究所的 w i s e m a n 9 】报道了他们研究的i o m h z 的三波束坐底式流速仪。1 9 7 2 年，美国 国家海洋和大气局( n o a a ) 下属国家海洋调查局( n o s ) t 程开发实验室( e d l ) 开始研究利用多普勒技术测量深达l o o m 的水流。这一时期，e m m a n u e l 与 m a n d i c s 【l o 】验证了多普勒技术应用于河口、海岸以及公海的可行性；c l a r k 1 1 j ， s c h e r e r 1 2 】进行了广泛的模型分析；p e y n a u d 与p i j a i l o w s 虹【1 3 j 描述了法国 t h o m a sc s f 的船载测量系统的研究过程。1 9 7 6 年，s p e r r y 海洋仪器公司与 a m e t e k s t r a z a 公司认识到以自己手中的技术开发船载多普勒流速测量系统 具有广阔的潜在市场，于是决定向美国政府要求财政支持。在未获得支持的 情况下，砧e t e 列s t r a z a 决定利用公司基金单独开发，并邀请了工作于 4 第1 章绪论 s c r i p p s 海洋研究所( s l o ) 的r e i g e r 与p i n k e l t l 4 1 - 1 8 j 。他们的加盟使得开发进展 顺利，并最终形成了8 0 年代市场上著名的d c p 4 4 0 0 窄带流速剖面仪。7 0 年 代后期，美国海军研究实验室( n i 也) 的海军海洋研究与发展行动( n o r d a ) 评 估了航船上利用声学测流的可行性，并由h i l l 与t r u m p 1 9 】进行了报道。 8 0 年代初期，多普勒测流技术开始逐渐进入商业化研究阶段。1 9 8 1 年夏， 加拿大海洋科学研究所( i o s ) 的f a r m e r 与英属哥伦比亚s i d n e y 两人于英属哥 伦比亚北部的海湾进行了有条件的海上原理性试验，试验利用了i o s 在船上 配置的单波束多普勒系统。其中独立进行的流速测量利用的是挪威安德拉 ( a a n d e r a a ) 仪器公司提供的流速仪。这一时期很多研究者注意到了 a m e t e k s t r a z a 公司刚开发的3 0 0 k h z 及下一代11 5 k h z 多普勒系统在船上广 泛的应用。这其中包括了w o o d sh o l e 海洋研究所的j o y c e 口们，n o a a 下属太平 洋海洋气象实验室的b i t t e r m a n 等人化。1 9 8 2 年，曾经工作于a m e t e k s t r a z a 公司的r o w e 与d i e n e s 两人成立了以后测流业界熟知的r d 仪器( r d i ) 公司， 并开始联合一些海洋研究者共同开发与制造声学多普勒流速剖面仪。同时 n o a a 也开始把注意力集中在声学多普勒流速剖面仪的研究上来。1 9 8 2 年n o s 形成了声学多普勒遥感计划，他们利用a m e t e k s t r a z ad c p 4 4 0 03 0 0 k h z 系统 所作的一系列坐底式实时配置的海上原理性试验晗2 2 3 1 结果令人鼓舞。1 9 8 4 年 r d i 推出了r d s c1 2 0 0 型a d c p ，并与a m e t e k s t r a z a 的系统作了对比性试验。 以上的试验数据与结果为多普勒系统的性能特点与操作使用提供了指导。 1 9 8 3 年夏，n o a a 联合s c r i p p s 研究所、a m e t e k s t r a z a 公司与埃克森( e x x o n ) 石油公司共同开发商用船载声学多普勒流速剖面仪，计划在d v l 和现有换能 器基础上测量深海垂直流速剖面。 8 0 年代中后期，以窄带为主的多普勒测流技术研究逐渐成熟。日本的 f u r u n o 、法国的t h o m s o n 、挪威的a a n d e r a a 等公司相继推出自己初步的窄带 a d c p 。同时，r d i 研究开发的产品很快就可以与a m e t e k s t r a z a 竞争。在这 些商业应用之外，一些研究小组进行了不同a d c p 的结构配置方案和信号处理 技术的研究，其中包括了相控阵换能器，横向多普勒系统瞳6 1 ，脉冲相干多普勒 声纳幢7 1 以及声相关测速声纳幢引。值得注意的是，基于波形不变形原理乜们的声 相关测速声纳由于具有发射功率低、换能器体积小、重量轻、结构简单等优 点，被认为是很有前景的自主导航仪器。当然声相关测速声纳在浅水、低速 哈尔滨t 程大学博+ 学位论文 时测速效果并不理想，这也制约了它的发展m 1 。 9 0 年代初，随着之前窄带多普勒测流技术的成熟，各家公司与研究所逐 渐开始把注意力集中在宽带测流技术的研究上来。曾经工作于w o o d sh o l e 海洋研究所的b r u m l y 作为r d i 的研究人员参与了宽带a d c p 的试验研究。同 时，s c r i p p s 海洋研究所海洋物理实验室的p i n k e l 与s m i t h 也报道了他们进 行的宽带编码试验研究b 小3 纠。1 9 9 2 年，曾工作于r d i 的r a m o nc a b r e r a 与a t l e l o h r m a n n 两人成立了硕泰克( s o n t e k ) 流速测量公司。1 9 9 6 年，作为挪威人的 a t l el o h r m a n n 离开s o n t e k ，并在挪威成立了以欧洲市场为基础的诺泰克 ( n o r t e k ) 流速测量公司。 图1 3a d c p 按照应用方式分类 f i 9 1 3c a t e g o r i z a t i o no fa c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tn e a s u r e m e n ts y s t e m 9 0 年代中后期，r d i 开始从不同应用角度对多普勒测流技术进行研究， 从而逐渐成为多普勒测流业界的主导企业。从应用角度来看a d c p 分为舰载 式，横向式，坐底式，悬浮式，拖曳式，手持式等6 种，如图1 3 所示：按 数据读出方式分为直读式，自容式共2 种。a d c p 的操作频率一般从几十k h z 到几m h z ，低频主要用于远距离大范围的流速测量，高频则主要用于近距离 的高分辨测量。继宽带多普勒测流技术的研究之后，各家单位又开始关注于 6 - 蠢一t 融墨 一一 第1 章绪论 宽带相控阵换能器的研发。1 9 9 5 年，r d i 的x i a o l o n gy u b 3 1 报道了r d i 的3 8 k h z 宽带相控阵a d c p ，并于1 9 9 8 年申请了专利劓。 进入新世纪后，随着测流应用范围的拓展，针对不同用途的技术研究也 更加深入。s o n t e k 于2 0 0 2 年被y s i 集团收购成立了维赛( s o n t e k y s i ) 仪器 公司，并开始从水文学，海洋学和实验室n 5 1 的不同应用角度进行多普勒测流 技术的研究和开发。同一时期，r d i 在继续深入研究宽带换能器束控技术的 同时，也把多普勒测流的研究分为定位导航、海洋测流和内陆水资源探测阳6 1 3 个主要方向。同时，挪威的n o r t e k 公司也进行了自己的测流应用研究，但具 体应用还不如r d i 和s o n t e k 的应用广泛。r d i 于2 0 0 5 年8 月被t e l e d y n e t e c h n o l o g i e si n c 收购，成立了t e l e d y n er di n s t r u m e n t ( t r d i ) 。现在t r d i 、 s o n t e k y s l 和n o r t e k 已成为了国外多普勒测流研究和产品开发的3 家主导 公司。目前多普勒测流扩展应用的热点主要有河道流量计算，潜水者手持 应用1 ，横向波阵列的波浪估计口7 1 和高分辨水质分析口8 1 等。 综上所述，国外多普勒测流技术的研究和发展大体可以分为3 个阶段：( 1 ) 整个6 0 年代和7 0 年代的研究探索阶段；( 2 ) 8 0 年代到9 0 年代初的窄带技术 发展和成熟阶段；( 3 ) 9 0 年代中期到现在的宽带束控技术发展以及测流的多 功能、多用途研究阶段。可以看出，经过几十年的研究以及随着各测流公司 的整合，国外对多普勒测流技术的研究正在细化，针对不同应用角度的研究 也更加深入。 1 3 2 国内研究概况 早在1 9 7 2 年，国家海洋局海洋技术研究所就首先开始对船载多普勒测流 技术进行了立题研究1 。经过1 9 7 5 年的原理性实验以及1 9 7 8 年的过零检测 技术样机试验，利用脉冲锁相技术的整机海试于1 9 8 3 年在青岛海区完成，并 达到了一定的效果。 1 9 8 3 年，中国科学院声学研究所开始研究声学多普勒测速测流技术，朱 维庆m h 4 3 1 关于脉冲对估计方法的研究加速了国内多普勒测流技术的发展。 “七五 期间，海洋技术研究所承担了国家a d c p 的攻关课题。“走航式声学 多普勒海流剖面仪( a d c p ) 作为“八五”重点项目h 钔也由海洋技术研究所承 7 哈尔滨下程大学博+ 学位论文 担，于1 9 9 7 年完成样机实验并收到了预期的效果。研制的2 0 0 k h z 走航式a d c p 已经安装在了海洋局的三条调查船上。但需要注意，此时的多普勒测流均属 于窄带的测流方式。 “九五 期间，国家8 6 3 项目“船用多功能声学多普勒海流剖面测量仪 ( a d c p ) 由中科院声学所朱维庆，王长红和朱维庆等人负责完成，并于2 0 0 0 年底通过8 6 3 专家组验收h 5 1 。“十五 期间，宽带多普勒测流技术研究列入 了国家8 6 3 项目海洋监测技术主题，仍由国家海洋技术中心( 原海洋技术研究 所) 承担。这一时期，天津大学的刘文耀，朱昊h 6 3 等人参与了其中的子课题“小 型多参数海洋环境监测浮标”的项目开发；海洋技术研究所的张道平h 7 3 分析 了宽带多普勒流速仪信号的特性；哈尔滨工程大学田坦、张殿伦h 8 1 等人在相 控阵技术方面进行了研究，杭州应用声学研究所沈斌坚h 叩等人也对他们的多 普勒测流技术的研究情况进行了报道。从现有的文献中来看国内的宽带多普 勒测流技术还需要深入研究。 总体来说，国内对于多普勒测流的宽带技术研究相对滞后，而且也没有 商业化的产品出现。关于测流的应用主要以引进国外公司的a d c p 为主，有关 宽带技术研究方面的报道也主要出自国外w o o d sh o l e ( w h o i ) 、s c r i p p s ( t s r i ) 等研究机构和t r d i 、s o n t e k y s i 等a d c p 测流公司。在国家8 6 3 计划支持下， 国家海洋技术中心，中科院声学所以及杭州应用声学研究所等单位对a d c p 测流工程样机进行了研制，但是仍然存在运算速度慢和受外界干扰大等缺点， 离成型产品和测流广泛应用还有一定的距离。随着各家单位测流研究的深入， 可以预见国内的多普勒测流技术必将走向成熟，并在测流服务中发挥其应有 的作用。 1 4 多普勒测流的关键技术 以上反映了国内外多普勒测流技术研究的主流发展过程。一般来讲，a d c p 的工作频率低，则作用距离远而空间分辨率低；a d c p 的工作频率高，则作用 距离近而空间分辨率高。这就要求选择测流系统的工作频率时，要根据不同 目的来进行折中。值得强调的是，多普勒测流技术的研究过程中各技术参数 间相互制约的现象还有很多，必须在各种技术要求中寻找平衡。实际上在技 8 第1 章绪论 术的发展过程中，相关的理论方法或针对不同角度的相关研究工作在近二十 年中还有很多。从发表的国内外相关文献中可以总结出多普勒测流的关键技 术，这些关键技术主要有以下几个方面： 1 4 1 信号设计与散射模型研究 发射信号设计是多普勒测流技术研究的一个重要方面。这涉及到了声纳 目标分辨与匹配滤波处理的理论，可看到有关的一些文献嘞m 3 。其中，模糊 函数在波形分析方面起到了一定的作用。然而由于最佳发射波形产生技术和 实现成本之间、以及它和实际处理复杂性之间存在着矛盾，在设计声纳信号 波形时常常根据性能