（水声工程专业论文）宽带多普勒测流技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r o a d b a n da 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 b a d c p ) m e a s u r e st h es p e e d a n dd i r e c t i o no fw a t e rc u r r e n t sa n dm a k e sap r o f i l eo fw a t e rc u r r e n tf o ru pt o1 2 8 l o c a t i o n s s h i p b o a r dc o n f i g u r a t i o nc a np r o d u c ep r o f i l e so fal a r g em a s so fw a t e r i nas h o r t t i m e p h a s ec o d i n gi so l l eo ft h em a i nt e c h n o l o g i e so fb b a d c p ，w h i c ht r a n s m i t s l o n gp u l s e ss u p e r i m p o s e dw i t hab i n a r yp s e u d o - r a n d o mc o d e t h ee c h oo fw a t e r i sr e c e i v e da n dp r o c e s s e dt og e tap r o f i l eo fc u r r e n ts p e e da td i f f e r e n td e p t h s s m a l ld e p t hc e i l sa n dh i g hr e s o l u t i o np e rm e a s u r i n gi st h ea d v a n t a g eo fb b a d c e t h em a i nt a s k so ft h i st h e s i sa r e ；s t u d y i n gs e v e r a lc o m m o nd o p p l e r m e a s u r i n gt e c h n o l o g yu s e di nb b a d c p ，e s p e c i a l l yt h ec o d e d - p u l s eb r o a d b a n d d o p p l e rm e t h o d ；d i s c u s s i n g t h e f r e q u e n c ye v a l u a t i n ga l g o r i t h m - - c o m p l e x c o v a r i a n c ep o w e rs p e c t r a lm o m e n te s t i m a t e so fc o r r e l a t e dp a i r s ( c p p c ) a n du s i n g i tt oc o m p u t ed o p p l e rf r e q u e n c y ；d i s c u s s i n gt h ed e s i g n i n go ft h et r a n s m i t t i n g s i g n a l ；s t u d y i n gt h em e t h o do f e c h op r o c e s s i n g a sf o rt h ef r e q u e n c ye s t i m a t i o nm e t h o d s ，t h i st h e s i sr e a l i z e dt h ec p p cp o w e r s p e c t r a lm o m e n te s t i m a t e sa n dp r o v e di tt ob ea c c u r a t ea n dr e l i a b l e w eh o p et h es t u d yw o u l db ei n s t r u c t i v ef o rt h eu s ea n dr e a l i z a t i o no f b b a d c p k e yw o r d s ：b b a d c p ；p h a s ec o d i n g ；p s e u d o - r a n d o mc o d e ；c p p cp o w e rs p e c t r a l m o m e n te s t i m a t e s ；e c h op r o c e s s i n g 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、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 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。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日 期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及现状 1 1 1 流速测量的意义 海洋水体的运动及在海面发生的蒸汽交换是影响全球气候变化和形成水 旱自然灾害的最重要因素，所以必须不断监测海流的变化，以便随时掌握自 然界的变化规律。油气开发、建港、运输，海底矿产开发等海洋资源开发活 动都需要掌握海流的长期变化规律，以降低工程造价，保障海上作业安全。 海流的实时测量和预报是获得海上各项活动重要资料的关键。在开发海洋的 同时，应当注意保护海洋环境。海洋开发活动的增加，致使海洋污染加剧。 同时江河又带来大量的泥沙和污染物。声学方法是目前唯一能够在不干扰流 场的条件下连续，实时和长时间对水中悬浮污染物的垂直分布及其随时问的 变化过程进行高分辨率测量的最有效方法，也是当前唯一能够对水底泥沙运 动和水泥交界层中沉积变迁的动态过程进行监测的有效手段。由于海水密度 的不均匀分布，某一深度会出现大面积污染体滞留。并在海流作用下运动， 不能用卫星遥感观测，只能用声学方法测量它的分布和运动规律。同时远洋 舰队和核潜艇的发展，也迫切需要远洋海水的海流资料。 声学测流技术不干扰流场，走航时一次发射可获得一个剖面内数十以至 数百个水层的流场，是当今最主要的测流手段。因此，对声学测流技术的研 究具有重要的理论价值和应用价值，是海洋高技术领域的前沿技术。 1 1 2 多普勒流速剖面仪( a d c p ) 综述 试验证明海水中存在大量的声散射体，诸如微小粒子、浮游生物及气泡 等，它们随海水流动。当声波在海水中传播时，有一部分能量被这些散射体 散射回来，回波信号经换能器接收、放大后，可以测得其频率。根据多普勒 频偏原理，只要声源和散射体之间存在相对运动，回波频率与发射声波频率 哈尔滨工程大学硕士学位论文 之间就存在一个多普勒频偏。从这个多普勒频率可以直接解算出二者的相对 速度。利用多普勒效应不仅可以测量船舶相对于海底的速度，还能够测量船 舶相对某一层或某几层水流的速度。船舶相对于海底的速度与相对于水流速 度的差值就是海水水流的速度，如果将海水分为若干层，就可以得到海水的 流速剖面，这在海洋调查、水文研究中是非常重要的数据。 2 中给出了四种 多普勒测量技术：脉冲一脉冲非相关多普勒、脉冲一脉冲相关多普勒、宽带 多普勒和脉冲编码宽带多普勒技术。 k ， ，一k j 一 黧腑 ，i 群 4 弧 dq ，f 蛩、弋 na 深度单元，夕 t oq i ! 心 口口 、 违 fg i，； p羽 f 孙 寸。 iq ii tl习 tt 口：】 f 屏q f ff； 尊日 ， ，| 口a - f ；| 习 j j ， l q 一 。5 传统的单点测量流蘧f ， 图1 1 多普勒流速剖面测量技术与单点测量流速计比较 a d c p 是声多普勒流速剖面仪( 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 ) 的缩写，它是一种新型的测流声纳，它根据多普勒原理采用遥测的方法测量 海流的分流层，对流场不产生任何扰动，不存在机械惯性，可以真实地反映 流场情况。它一次可以测出一个剖面上若干层的海流分布。在a d c p 出现前， 人们使用海流计测量流速。一般的海流计多是接触式的，通常要投放若干个 海流计才能测量海流沿深度的变化。要测量一个海域的海流分布时，需要花 费大量的人力物力，而且它还不能与其它海洋测量仪器( 大多是走航式的) 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同步进行。图1 1 为二者的测流示意图。显然，a d c p 的出现引发了测流技术 的革命性变革。a d c p 测得如图1 2 所示的流速剖面。 0 2 0 乍4 0 倒6 0 塍5 0 1 0 0 1 2 0 速度东( 伽s ) 速度北( c m s ) 图1 2 流速分布剖面图 利用a d c p 测量流速的思想最初于二十世纪六十年代初由k o c z y 和 v l a s a k ”“”提出。二十世纪六十年代末期到七十年代初，c h e s a p e a k eb a y 学 院和n o a a 的e d l 实验室对a d c p 进行了研究“。七十年代末，r e i g e r 等人 的研究为a d c p 的商用奠定了基础i 。八十年代初期，w o o d sh o l e ，m i a m i 大学，n o a a ，s p e r r y 以及r d i 等相继推出了成熟的a d c p ”“，使得a d c p 进 入了商用阶段。 早期的a d c p 一般发射一个正弦填充的脉冲，因为它发射是简单脉冲，信 号的带宽很窄，它又被称为窄带多普勒流速剖面仪( n b a d c p ) 。窄带a d c p 使用自协方差方法对回波信号进行处理。由于a d c p 的主要任务是确定回波的 多普勒频偏，而频率是相位随时间的变化，所以我们可以通过观察相位随时 间的变化得到频率。 海水反向散射信号是一随机过程，通常假定它是时问平稳和空间均匀的。 为得到流速的有效估计值，需要对多次测量进行统计平均。而在流场复杂或 船速过快时，统计平均的平稳和均匀条件不能满足。另外，随着海洋探测范 围的拓展，越来越需要对深海的海流分布进行测量。a d c p 的探测距离与工 哈尔滨工程大学硕士学位论文 作频率成反比，而测量精度与工作频率成正比。距离的增加要求降低工作频 率，但这同时降低了测速的精度。探测距离与测速精度的矛盾导致窄带a d c p 的应用有一定的局限性。 随着信号处理技术和换能器制作技术的发展，a d c p 正向着高速、实时、 宽带、小型化方向发展。在这种情况下，近些年来，出现了宽带a d c p ( b b a d c p ) 。它发射的是一个较复杂的脉冲串，一次发射可以得到各个水层 的有效的统计平均值。它较好的解决了窄带多普勒存在的问题，改善了多普 勒的测速性能，拓展了多普勒的测速范围。典型的产品有美国r d i 公司的 d v l 系列和w o r k h o u s e 系列，美国e d o 公司的3 0 5 0 d s v s 系列和a p c 6 0 0 “。在a d c p 及b b a d c p 的研制过程中，以美国的r d 仪器( r d ) 公司最为 著名，其b b a d c p 采用了相控阵、伪随机相位编码以及宽带相关等先进技术， 使之性能大大提高。它的工作深度可达几百米甚至上千米，测速误差达到了 2 厘米秒，甚至更好。它们的产品有6 个发射频率：7 5 k h z ，1 5 0 k h z ，3 0 0 k h z ， 6 0 0 k h z ，1 2 0 0 k h z 和2 4 0 0 k h z “。 目前，a d c f 主要应用于以下三个发展领域：研究新的声学回波谱估计方 法，测量层流并把它应用于海表层流及浑浊水中污染物动态特性的测量。这 三个领域的应用都是为了不断发展和完善声学多普勒测流原理和技术，扩大 它的应用范围。 一般来说，a d c p 的频率越低，它的作用距离就越远，但精度和分辨率 就越低；反之，频率越高，它的作用距离就越近，精度和分辨率越高。根据 国际上通用情况，如果选用的a d c p 为1 5 0 k h z 和6 0 0 k h z ，它们的作用距离 分别为3 5 0 m 和6 0 m 。在低频段，如1 0 0 k h z 以下，由于常规a d c p 的基阵 过大，实际上很少采用。要想获得更远的作用距离，则频率还要低，换能器 直径还要大，实际使用存在困难。8 0 年代中期国际上开始发展相控阵a d c p ( p p a d c p ) ，9 0 年代中期已有产品问世，它的工作频率为3 8 k h z ，作用距离 为1 0 0 0 m ，对海底作用距离为1 5 0 0 m ，换能器直径为o 6 m 。 a d c p 从工作方式上分有走航式和定点式。a d c p 在走航状态工作时，一次 发射就可以测得个剖面上多层不同深度上的流速。随着船的航行，可连续 测量。在较短的时间里可以把相当大的海域的流量场测出来。这与高速数字 信号处理( d s p ) 器件的应用也有很大的关系。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a d c p 从安装方式上有装船式和自容式两种方式。当a d c p 应用于浅海时， 常常需要对海流变化做长期的观测，这就需要自容式的a d c p ，能够自动地对 海流数据进行计算和存储。同时应易于安装和拆卸，因而应尽可能地减小 a d c p 的体积和功耗。由于所需要探测的距离近，不需要较大的发射功率，这 就减小了发射机的体积。由于长期观察的需要，电路应具有休眠方式，以尽 可能底降低电路功耗。表面封装工艺的出现，使电路尺寸大大减小，a d c p 的 使用也更加方便”l 。 1 1 3a d b p 的新发展 a d c p 的发展方向主要是：宽带a d c p ( b b a d c p ) ，相控阵a d c p ( p p a d c p ) ， 和小型化。 宽带a d c p 中使用的数字信号处理技术”使其与窄带a d c p 相比性能大 大提高。宽带信号处理技术代表着多普勒声纳技术的一个重大进步。 我们知道，减小发射脉冲的长度可以减小回波的相关时问或者说增大了 脉冲的带宽。空化和震动导致多普勒声纳发射的峰值功率有界。在峰值功率 一定的条件下减小发射脉冲的长度导致发射信号的能量、回波信噪比( s n r ) 大大减小，也就使探测的距离大大减小。 使用相位编码技术解决了这个问题”“。相位编码技术是目前大多数宽带 a d c p 的主要技术。宽带a d c p 发射一个由二进制伪随机相位编码调制的正弦 脉冲信号，并接收来自不同水层的散射回波信号，经解调后，按照时钟间隔 连续对其采样，实施a d 变换后用脉冲对相关算法求得多普勒频偏，进而算 出海流的剖面分布及测量方差。宽带a d c p 一次发射就可以获得一个剖面上 多达1 2 8 层不同深度的流速。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。与传统的窄带系统相比，宽带a d c p 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发射 测量到的对水和对底速度的精度，同时也大大地增加了长期测量的精度。因 此宽带a d c p 具有：层分辨率小，单次测量精度高，信噪比高和接收灵敏度高 等优点“。上述优点使宽带a d c p 在9 0 年代得到迅速发展，并成为当前a d c p 测流的主导技术。 尽管使用宽带多普勒技术进行信号处理的计算量与窄带技术的计算量相 哈尔滨工程大学硕士学位论文 比较大，d s p 技术的应用使这些增加的计算量并没有使发射功率增加，而且 使a d c i 的体积大大减小”。为了进一步完善、拓展这项技术在水声测量中的 应用，人们还在不断地从理论和实践上给予研究。 要测量三维速度至少需要三个不同方向的波束。a d c p 大多采用詹纳斯配 置，以往的詹纳斯配置由四个换能器组成，同时发射四个窄圆锥形波束。( 这 四个波束互成9 0 0 且两两对称) 。这种a d c p 存在一定问题：( 1 ) 它需要比较 庞大且比较笨重的机械结构来支撑换能器；( 2 ) 换能器表面是非流线型的， 使用时一般要加上一个比较厚的透声罩；( 3 ) 合成波束需要较大的孔径；( 4 ) 精确的流速测量需要知道换能器表面的声速。 由于测量距离的增加要求采用更低的工作频率，这就要求换能器的尺寸 加大。随之带来一系列的问题，如重量过大，安装困难等等。为了解决这些 问题，需要在工作频率一定的情况下尽量减小换能器的尺寸。若要进一步减 小阵的尺寸，重量及造价，就需要使用单一平面阵内形成所需要的各个波束。 这需要复杂的相位延迟或时间延迟电路来支持两维波束形成。使用已有的基 阵技术，要求对每个阵元使用独立的功放，相移或时延电路。 由于常规的a d c p 的测量距离不够大，制约了一些调查作业。于是相控阵 技术”l 应运而生。 利用相控阵的多普勒测速仪的最大优点是只用一个平面基阵进行相控发 射和接收，从工作原理上自动消除了水中声速变化这一影响速度测量的因素， 不再需要进行声速补偿。此外，采用一个收发共用阵完成多个波束的形成， 使水下基阵的总尺寸大为减小。在波束宽度和工作频率相同的情况下，平面 相控阵的重量比多个独立换能器构成的基阵减小一个数量级；而在波束宽度 和基阵尺寸相同的情况下，平面相控阵可用更低的工作频率，因而可以达到 大得多的工作距离”。 r d i 公司已经研制出采用相控阵技术的宽带a d c p 。它的工作频率为3 8 k h z ， 换能器直径为l 米，厚度为1 0 5 毫米。换能器为一收发合置的平面阵，有9 9 8 个独立的活塞换能器组成。各换能器的中线间距为系统声载频波长的一半。 该配置能够形成5 个波束。其中4 个波束为常规的詹纳斯配置，第五个波束 沿中线方向。将各个换能器接收的信号分别进行时延或相位延迟，得到接收 波束”“”。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3r d i 公司1 5 0 k h z 相控阵换能器与活塞换能器 r d i 公司的二维相控阵技术提高了a d c p 的性能，扩展了配置的范围。它 提供了以下新的测量能力：对于a d c p ，相控阵技术允许在更低的频率上得到 更远的探测距离，如3 8 k l t z 的a d c p 对流探测距离为8 0 0 一l0 0 0 米，对底探测 距离可以达到1 5 0 0 米。其最基本的技术优点是小尺寸。尺寸小，重量轻，这 就使得操作和安装更加容易。而且相控阵技术可以减小由多个换能器引起的 水流搅动，可以减小流数据中的误差。由于相控阵的指向角随频率变化，所 以r d i 公司将相控阵换能器的带宽限丧4 在载频的6 。又因为带宽决定了每次 发射中每个深度单元中的采样数，所以流速数据的方差随带宽呈现反比变化。 同时，由于流速方差与s i n 2 ( 波束夹角) 成反比，所以与垂直方向成3 0 “角的波 束能够输出噪声较小的数据。由四个活塞换能器组成的r d iw o r k h o r s e 系列， 可以发射带宽为载频2 5 的信号，波束与垂直方向央角为2 0 ”。 1 1 4 其他测流方法 除使用多普勒的方法测量流速外，还可以用相关的方法。声相关计程仪 ( a c o u s t i cc o r r e l a t i o i ll o g ，简称a c l ) 可以测量舰船对底的速度。且这 种方法具有传感器尺度小、工作频段低和跟踪大深度海底回波较容易等特点， 因而声相关计程仪已成为目前舰船测速的一个主要研究方向。 从目前国内外现有的技术来看，a c l 所采用的发射信号多数是脉冲信号， 在高航速下，脉冲信号的测量效果不错，但在低航速下，航速测量的正确率 和精度上都存在较大的问题。其根本原因在于接收到的海底回波信号的带宽 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在低航速下带宽过窄，导致海底回波信号的互相关峰宽，旁瓣高。对于线性 调频( l f m ) 信号，虽然从理论上分析可知，其信号的带宽较宽，可导致海底 回波信号的互相关峰高，但由于l f m 信号受到声相关计程仪发射信号脉冲宽 度的限制以及海底镜反射等因素的影响，其实际的效果不如脉冲信号理想。 a c l 的测速性能主要体现在以下两个方面：一、要使回波信号的互相关主峰 高而尖锐；二、要使输出相关器的抗噪声能力强。在低速条件下，如何提高 a c i 。的测速性能是一个技术难题。由于伪随机序列具有类似白噪声的自相关 函数1 、扩展频谱的特性和较强的抗噪声能力，因此利用伪随机序列对发射 信号进行改造是一种有效的技术途径。 a c i 。在舰船上安放布置了发射换能器和多个接收水昕器的声传感基阵。 由于舰船的运动，利用测量出的各个接收水听器的海底散射回波信号的互相 关峰的延时差来测量舰船的速度。对于声传感器的布局设计和要求见 3 2 。 在 3 3 中给出了声相关计程仪( a c l ) 的海底回波模型，并将脉冲信号在伪随 机信号的调制下作为发射信号，对低航速下的声相关测速进行了海底仿真研 究并给出仿真结果。 1 2 论文的主要工作 正是基于宽带a d c p 的高分辨率、实时、小基阵和作用距离远等优点，本 课题的主要目的是研究宽带流速剖面仪的测流技术。 在本论文中，首先研究了宽带a d c p 中经常用到的几种多普勒测量技术。 分别为：脉冲一脉冲非相关多普勒技术，脉冲一脉冲相关多普勒技术和脉冲 编码宽带多普勒技术。由于脉冲编码宽带多普勒技术是宽带a d c p 中的主要 技术，所以在第二章中只作简单介绍。 本论文的第三章主要研究了脉冲编码宽带多普勒技术中的多普勒频偏估 计方法和信号设计问题。脉冲编码宽带多普勒技术中使用相关脉冲对协方差 谱矩估计方法计算回波信号的多普勒频偏，本论文分析了该方法的统计特性。 在信号设计上研究了伪随机编码的自相关特性及发射脉冲波形的设计。 本论文的第四章讨论了宽带回波信号的处理方法。分析了流回波信号的 时空特性，本特性对窄带及宽带信号都适用；给出了使用宽带对底测量技术； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 给出了使用脉冲编码宽带技术得到的流速在不同深度单元上的加权函数；考 察了回波信号的自相关函数及其在回波处理中的作用；针对相位模糊问题给 出了几种已知的解决方法。 本论文的第五章使用相关脉冲对协方差谱矩估计方法进行了仿真，给出 并对比分析了多组仿真结果。指出使用相关脉冲对协方差谱矩估计方法对脉 冲编码信号测量多普勒频偏得到的方差和标准差明显低于使用复协方差谱矩 估计对简单脉冲测量多普勒频偏得到的方差和标准差。第五章还考察了使用 脉冲编码宽带方法测量多普勒频偏的各种因素对测量偏差及标准差的影响。 9 哈尔滨_ 【程大学硕士学位论文 第2 章几种多普勒测量技术 2 1 多普勒效应 在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着警笛的警车经过某观 察者时，他会发现警笛的声调由商变低。为什么会发生这种现象呢? 这是因 为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来就 高；反之声调听起来就低。这种现象称为多普勒效应，它是用发现者克里斯 蒂安多普勒( c h r i s tj a nd o p p l e r ，1 8 0 3 t 8 5 3 ) 的名字命名的。多普勒是奥 地利物理学家和数学家，他于1 8 4 2 年首先发现了这种效应。为了理解这一现 象，就需要考察警车以恒定速度驶近时，警笛发出的声波在传播时的规律。 其结果是声波的波长缩短，好像波被压缩了。因此，在一定时间间隔内传播 的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当 警车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被拉伸了，因此，声音听起来就 显得低沉。定量分析 寻到： 正= + v o ( u v ，) 厂 ( 2 一1 ) 其中u 为波源相对于介质的速度，v n 为观察者相对于介质的速度，厂表 示波源的固有频率，“表示波在静止介质中的传播速度。当观察者向波源运 动时，v 0 取正号；当观察者背离波源运动时，v n 取负号。当波源朝观察者运 动时v 。前面取负号；前波源背离观察者运动时v 。取正号。从上式易知，当观 察者与声源相互靠近时，彳 f ；当观察者与声源相互远离时，： 13 6 采样值的s ，s ：“无法计算，因为时延h = 3 ，+ h 1 3 9 的数据不存在。将表3 1 中的实部按列相加得一1 3 8 5 9 8 ，虚部按列相加得 一1 9 7 5 6 8 0 ，复相关的计算结果为： r ( h 、= - 13 8 5 9 8 一1 9 7 5 6 8 0 i 表3 i 复相关计算 对于线性系统，计算多普勒频偏的公式如下： f 、：t a n - i ( l r ) ( 3 - 1 4 ) 。4 2 z h 7 其中，_ ，；，为回波信号的多普勒频偏；，为( 3 1 3 ) 式中计算出的复相关 函数的虚部；r 为( 3 - 1 3 ) 式中计算出的复相关函数的实部：h 是用与计算 自相关函数的时延，一般情况下，该时延等于所选脉冲的长度：丁为采样间 隔。对于线性系统，没有必要对相关函数做归一化处理，因其中有j r 项。 我们可以看出来，此方法就是复协方差谱矩估计或者 2 2 中提到的相关 哈尔滨工程大学硕士学位论文 脉冲对协方差函数法( c p p c ) 谱矩估计。 3 2 信号设计问题 我们知道窄带a d c p 发射的是单频正弦信号，而宽带a d c p 发射的是伪随 机编码调制的正弦信号。二者在回波处理时都要使用时间门分割回波信号， 也就是将回波信号在不同深度上分层，进而得到流速在不同深度：的剖面。 一般使用的时间门与深度单元的大小是相等的。一个深度单元最终只得到一 个流速值。 宽带：每个i j l 度单元有上百个测量值，独立测量值个撤罄于编码比将数 图3 2 宽带a d c p 对一个深度单元的划分 宽带a d c p 将一个深度单元分割成与码元大小相等的多个小层，每个小层 得到一个速度值，然后进行统计平均。图3 2 显示了宽带a d c p 对一个深度单 元的划分情况。窄带a d c p 并不能将一个深度单元这样划分。因为编码后各个 码元的测量值是独立的，而对单频正弦信号划分的各个小层相关性较大，测 量值是不独立的。这就是宽带a d c p 使用编码信号的一个主要原因。 3 2 1 编码问题 宽带a d c p 中使用双相( 0 。和1 8 0 。) 伪随机编码对发射脉冲进行相位调制。 使用伪随机码是因为它具有类似白噪声的特性，采用二元域，只有+ 1 ，一1 两 种电平。由于白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在 很宽的频带内都是均匀的且具有极其优良的相关性。但是至今无法对白噪声 放大、调制、检测、同步及控制等，而只能用具有自噪声统计特性的伪随机 编码信号来逼近它，并作为扩频系统的扩频码。 堕签堡兰壅奎堂堡主堂垡堕塞 图3 3 使用伪随机编码调制正弦信号 图3 3 中使用伪随机编码是1 3 比特巴克码( 1 ，l ，l ，1 ，l ，一l ，- l ，1 ，1 ，1 ，l ，一1 ，1 ) ， 每个码元中使用两个正弦波填充。从该图中可以看出，在码元符号改变的时 候，正弦波发生相位跳变。 下面我们来考察一下编码信号的频谱，如图3 4 、图3 5 所示。 图3 4 为码元宽度为l m s 的6 3 比特【序列频谱，图3 4 为使用6 3 比特 m 序列调制3 0 0 k l l z 正弦波得到的频谱，码元宽度也是1 m s 。由图3 4 我们可 以看到，编码信号的带宽为其码宽的倒数。而使用该编码调制正弦信号，得 到频谱在所用正弦信号的中心频率处出现主峰值，其主峰宽度即为信号编码 的带宽，而且存在频谱扩展及多峰情况。 不同的a d c p 设备中可能会使用不同的伪随机编码，各个公司使用的编码 也不是公开的。从r d i 的技术资料上可知，其使用的伪随机编码是由强力计 算机算出，原则是获得最小的自相关旁瓣( 除了在时延t o 处，咒为各次发射 声波的时间间隔) ”。文献1 2 9 也给出了选码的原则：在每个侧峰( 测量 相位的地方) 的一个时延处有零自相关的编码；在侧峰附近有最小旁瓣的编 码。 在无法获得最优编码的情况下，我们可以使用m 序列及b a r k e r 码作为测 流系统的伪随机编码。 2 4 哈尔滨_ 程大学硕士学位论文 图3 4 码元长度为l m s 的6 3 比特m 序列的频谱 图3 5 使用6 3 比特m 序列调制3 0 0 k h z 正弦波得到的频谱 1 、m 序列 m 序列是一种具有优良自相关函数的伪随机序列。它易于产生和复制， 在扩谱技术中得到了广泛应用。i t i 序列可以用拧级线性移位寄存器产生，其 周期为2 ”一l 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 6 a1 5 比特m 序列及其自相关函数 、n 一 m m n ，w y 一忡一p 、r w m 一fp 一 图3 6 bi z 7 比特m 序列及其自相关函数 可以证明，产生m 序列的联接多项式必须是不可约多项式中的本原多项 式，也就是说一级线性移位寄存器的联接多项式必须是能产生周期为2 。一l 的 非零序列的不可约多项式。m 序列的自相关函数如下： 囊辛血譬皿 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f 1 ，弘0m o d p r ( ) 2 一，f o m o d p - 15 ) lp 其中，p = 2 ”一l ，是m 序列的周期。可见，m 序列具有双值自相关函数。而 且，其周期越长，自相关性能越好。, t = 2 l o o 的r n 序列的本原多项式可以 从表中查出。通过对本原多项式进行m a l l a b 编程可获得m 序列。 图3 6 为不同长度的m 序列及其自相关函数图。从图3 6 中可以看到， m 序列越长，其自相关性能越好。 2 、b a r k e r 码 b a r k e r 码是一种非周期序列，它的局部自相关性良好，具有类似伪随机 码的性质。其自相关函数如下： r ； p 、7 【0 ，l翥塾它值 仔 其中p 为码长，f 为延时。该自相关函数在原点( f = 0 ) 处具有峰值p ，在其 它f 值上，则在0 ，+ 1 ，一l 之间起伏。这说明它的自相关函数也和白噪声的 自相关函数类似。因此说它是种非周期的伪随机码。已经证明，不存在 p 1 3 的奇数长度的b a r k e r 码；偶数长度的b a r k e r 码的可能长度为4 t2 ，为 正整数。但1 6 p 1 1 6 6 4 ( 2 茎t 5 4 ) 的偶数长度码不存在，至于t 5 4 的 情况，目前尚不清楚。 由b a r k e r 码的自相关函数可知，码长越长，其自相关性能越好。但目前 己知的码长为2 、3 、4 、5 、7 、1 1 、1 3 ，一般不能满足发射信号的要求。 图3 7 为1 3 比特b a r k e r 码及其自相关函数。在 3 7 中提出了使用重复b a r k e r 码的方法并分析了其自相关函数、功率谱的性能及其对流速测量的影响。图 3 8 为7 比特b a r k e r 码重复四次及其对应的自相关函数图。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 7b a r k e r 码及其自相关函数 o , s 曩o 6 盂o 甲o j 丑 白柑差i 蠹 刖。一n 蕊珈。5 。1 0 时鼎埘 51 0侣 衢 图3 87 比特b a r k e r 码重复四次的自相关函数 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 2 发射信号波形 宽带技术的发射脉冲形式见图3 9 “。该图为示意图，并不代表真正的 发射信号。实际的发射波形受换能器和功放的有限带宽限制，相位反转问有 一个短暂的恢复时间。在宽带方法中使用双相码，对载频进行0 。和1 8 0 。的相 位调制，即码元间可能发生1 8 0 。的相位跳转。每个码元由若干个载频周期组 成，图3 9 中每个码元包含4 个载频周期。 一般情况下，宽带a d c p 在一个波束中同时使用两个脉冲。若脉冲间隔 或时延厶等于脉冲长度，则两个脉冲结合成一个连续的脉冲。 图3 9 中f i 9 4 a 所示的脉冲由l o 个码元组成。后5 个码元是前5 个码 元的反转。这样在连续的波形中实际上有两个脉冲。反转第二个脉冲可以减 小噪声偏差。在延时5 个码元后对后5 个码元进行反转，然后将前5 个码元 与后5 个码元进行自相关。 图3 9 中f i 9 4 b 所示的脉冲编码与f i 9 4 a 中的不同，它的脉冲长为2 0 个 码元。其中，前l o 个码元与f i 9 4 a 中的相同，后l o 个码元是前l o 个的重复。 与f i 9 4 a 类似，两个发射脉冲结合为一个发射波形，时延为发射1 0 个码元所 需要的时间。 图3 9 中f i 9 4 c 中脉冲长度为3 0 个码元。在两组l o 个码元的脉冲之间 有一个无信号的区域，因此延时等于2 0 个码元长。 船黼 r 口 勰娥 a 一： 勰 端 一* 善 图3 9 脉冲编码宽带技术发射信号波形 哈尔滨工程大学硕士学位论文 下面我们使用b a r k e r 码来分析一下图3 9 中的信号形式。 我们知道，脉冲编码宽带多普勒技术是使用信号的相关函数来测得多普 勒频偏的。而所用的编码的自相关函数与而使用该编码调制正弦信号得到的 自相关函数的包络相同。因此，我们仅考察如图3 9 所示的编码形式。 图3 1 0 给出1 3 比特b a r k e r 码及其重复两次的波形，重复形式的间隔 分别为一倍码长和二倍码长。图3 1 l 给出了对应的重复形式的自相关函数。 对比图3 1 0 和图3 1 l 我们可以看出，在相关主峰均出现在零时沿处，而相 关侧峰出现的位置与对应的编码重复间隔有关，实际上，侧峰的位置即为编 码重复的间隔。 脉冲间隔或时延厶决定了距离速度分辨率的精度。短时延意味着精度 高。甚至可以通过将发射脉冲重叠一个或多个码元来使时延小于一个单一编 码脉冲的长度。例如：使用字母来代替码元，序列a b a b a 能够允许两个长 为3 个码元的脉冲a b a 在延时等于2 个码元的长糜上发射。实际上，码长 和多个脉冲波形中的脉冲间隔上存在折衷，这依具体的应用而不同。 图3 1 0 伪随机编码及其重复形式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 i l 不同间隔伪随机编码的自相关函数 从【2 j 中可知，宽带a d c p 采用将第二个脉冲反转的方法，可以有效地 除去主峰噪声。为了除去旁瓣噪声，主要从使用的伪随机编码来考虑。 般情况下，对于特定的应用，多普勒频偏的误差与脉冲间隔成反比。 距离精度由编码脉冲的长度决定，即发射脉冲的长度要与深度单元长度相等。 3 2 3 系统带宽的选择 系统带宽决定系统的功能； 。( 1 ) 发射波形的要求，带宽的选取直接影响发射信号的质量。 宽带技术性能的实现首先要求发射一个理想的二进制编码信号，但实际 的发射波形受调相器及换能器带宽等因素的制约，往往发生畸变。畸变的波 形除影响功率发射外，还将产生下列影响： 不同符号的单个码元和连续具有同一符号的码元的发射幅度不同，使回 波信号经按收放大处理后畸变，提高了多普勒信号对幅度的调制，影响测量 精度。 另外，发射信号的起伏实际上是一种低频信号对编码信号的调制，当它 在多普勒频段之内时被认为是多普勒频偏。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可见为保证产生好的发射信号，首先要设计、调试良好的发射电路并要 很好地和发射换能器匹配，另外要重视选择在( 0 ，玎) 两态过渡时间最短的调相 器。 ( 2 ) 低通滤波器带宽的要求： 在解调中，低通滤波器带宽厂是b b a d c p 的重要参数，选取的合适与否 直接关系到系统的性能指标。 带宽厂的选择 多普勒信息完全由回波信号的复包络携带。经混频和低通后，可以得到 复包络信号。a f 的选取要和编码信号的带宽相适应，一般取0 5 ，sv f 。 抗干扰性 系统的低频、高频及冲击干扰最终都要在低通滤波器的输出端给予体 现，特别是强的低频干扰，会在低通滤波器的电容上产生低频波动或者慢衰 减的直流电压，造成复包络失真，甚至给出虚假的多普勒信号。因此在电路 的设计中常常要考虑到干扰的消除问题“。 3 3 本章小结 本章主要研究了脉冲编码宽带多普勒技术中的多普勒频偏估计方法和信 号设计问题。脉冲编码多普勒技术中使用相关脉冲对协方差谱矩估计方法计 算回波信号的多普勒频偏，本论文考察了该方法的统计特性。在信号设计上 研究了伪随机编码的自相关特性及发射脉冲波形的设计。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章宽带回波信号处理 4 1 流回波信号的时空特性 在常规的对底测量中，仅需对来自底的回波进行处理，可以简单地理解 为仅对来自一个平面的回波进行处理。当然，在接收到底回波之前，可以先 接收到来自不同水层的回波，但由于它并不是测底所需要的，因此在处理时 会将这一部分回波截掉。但对于流速测量而言，a d c p 要得到的是不同深度 上流速，即要测出一个流速剖面，这就要对来自不同深度水层的回波进行处 理，这就涉及到空间积分及分层问题。我们可以用下图来理解a d c p 在测量流 速剖面中使用的空间分层方法。 单元5 眶 单元4 岳单f t 3 o 2 单元2 砸 单元1 0 图4 1 时间门与深度单元的关系 与传统的流速计不同，a d c p 不测量小范围、局部水体的流速，它们在所 有深度单元的深度范围内作平均。这种平均减小了空间混叠效应。时间序列 的混叠可以导致高频信号看起来像低频信号。该效应在深度上是等价的。在 深度单元距离范围内将观测到的速度进行平滑，可以减小测量的不确定度。 m 阃 弛 时 黉母。脒萨躺 哈尔滨二l 程大学硕士学位论_ 文 m lm l lm l i ；i i ；= 通过在距离上选通回波信号来获得流速剖面。距离选通将接收信号分成 若干个连续的部分分别进行处理。来自远距离的回波要比近距离的回波花更 长的时间到达a d c p 。因此，连续的距离选通对应于距离渐增的深度单元。 每个深度单元在一定距离范围的水体内平均速度，但通常情况下，在这 个范围内所作的平均并不是均匀的。因为每个深度单元中，不同位键的流速 对最终的结果所做出的贡献是不同的，位于中心的速度是最敏感的，而位于 边缘的速度是最不敏感的。因此，我们要使用加权平均得到该深度单元上的 一个速度值。 图4 1 显示了距离门与深度单元之间的关系。该图将来自a d c p 的时间和 距离联系起来。位于时间轴左侧的是发射脉冲。发射脉冲的传播由向右上方 倾斜的直线表示。向换能器传播的回波由向左下方倾斜的直线表示。 随着时间的增加，发射脉冲远离a d c p 传播，当发射结束时，a d c p 关掉 发射器，等待一段称为空白周期的较短时间。随后，a d c p 开始处理对应于距 离门l 的回波信号。当距离门1 的回波信号处理完毕后，a d c p 马上转入距离 门2 的回波处理。其余距离门回波处理以此类推。 下面我们用图4 2 ”| = 来详细地阐明图4 1 所表达的思想： 脉冲向前传播过程中，遇到水中的散射体，会产生反射作用，这样我们 就可以接收到来自不同深度和不同时间处散射体的回波。在图4 2 中，射线 0 k 表示发射脉冲前沿的传播路径。射线e i 表示发射脉冲后沿的传播路径。 首先考虑发射脉冲前沿到达位于单元l 中心处散射体反射得到的回波。沿着 发射脉冲前沿的传播路线( 由原点斜向上) ，我们看到对应的回波路线，该路 线沿发射脉冲前沿与单元l 中心的交叉点斜向下。这个过程我们用三角形o b c 来表示，0 点为脉冲发射的起始时刻，b 点对应于距离门l 的起始时刻。脉冲 前沿在位于单元1 中心c 点的散射体处发生反射，回波信号在b 点处到达换 能器。由于o c 与b c 路径长度相等，所以c 点位于直角三角形o b a 的斜边中 点上。我们用三角形e b i 描述发射脉冲后沿到达另外一个散射体及由该散射 体反射回换能器表面的路线。脉冲后沿在e 时刻离开换能器表面向前传播， 在m 点遇到散射体发生反射，我们也能在距离门1 的起始时刻b 点接收到它 的回波。同理，由于e m 与b m 路径长度相等，所以m 点位于直角三角形明f 斜边中点上。并且由于o a 与e f 平行，所以c 、b 、m 三点位于一条直线c b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上。同理，我们可知，在p 点开始发射的脉冲，在距离门l 起始时刻b 处接 收到的回波是位于直线c b 与射线p g 的交点n 处的散射体发生反射所得到的。 艇 单元4 m 餐单元3 c ) 盆单元2 竹 单元1 0peb 开始结束 发射脉冲 门1 t 1t 2 门2门3 门4 时间 图4 2 详解图4 1 由以上分析我们可以看出，在某一时刻接收到的回波是来自于发射脉冲 的不同部分在不同的时间上和不同深度处散射体反射回波信号的叠加，这些 散射体在图4 2 中均位于同一条斜线上。 现在我们来说明a d c p 回波的另外一些重要的特征。 我们来看距离门3 中的回波。我们已知，t l 时刻的回波是脉冲向前传播过 程中遇到直线s r 上散射体发生散射回波的叠加和。s o 和r o 是s 和r 在距离轴上 的投影。也就是说，t l 时刻得到的回波来自s 0 r 0 之间这段深度上的散射体。 同样，t 2 时刻得到的回波来自w o j o 之间这段深度上的散射体。我们看到这两 哈尔溟工程大学硕士学位论文 段深度都包括了单元： 中心处的深度，而且他们都只对应距离门3 深度的一部 分，确切地说是5 0 。依次类推，我们可以看到，距离门3 的任意时刻都有来自 单元3 中心处散射体的回波，但不一定有来自其边缘处散射体的回波。因此说， 在图4 1 中每个菱形的